Denne uken fortsetter vi med forrige ukes artikkel.

1.2 Elektrolyttiske kondensatorer

Det dielektriske materialet som brukes i elektrolyttiske kondensatorer er aluminiumoksid dannet ved korrosjon av aluminium, med en dielektrisk konstant på 8 til 8,5 og en arbeidsdielektrisk styrke på omtrent 0,07 V/A (1 µm = 10 000 A). Det er imidlertid ikke mulig å oppnå en slik tykkelse. Tykkelsen på aluminiumslaget reduserer kapasitetsfaktoren (spesifikk kapasitans) til elektrolyttiske kondensatorer fordi aluminiumsfolien må etses for å danne en aluminiumoksidfilm for å oppnå gode energilagringsegenskaper, og overflaten vil danne mange ujevne overflater. På den annen side er resistiviteten til elektrolytten 150 Ωcm for lav spenning og 5 kΩcm for høy spenning (500 V). Den høyere resistiviteten til elektrolytten begrenser RMS-strømmen som den elektrolyttiske kondensatoren kan tåle, vanligvis til 20 mA/µF.

Av disse grunnene er elektrolyttkondensatorer designet for en maksimal spenning på typisk 450 V (noen individuelle produsenter designer for 600 V). For å oppnå høyere spenninger er det derfor nødvendig å oppnå dette ved å seriekoble kondensatorer. På grunn av forskjellen i isolasjonsmotstanden til hver elektrolyttkondensator må imidlertid en motstand kobles til hver kondensator for å balansere spenningen til hver seriekoblede kondensator. I tillegg er elektrolyttkondensatorer polariserte enheter, og når den påførte reversspenningen overstiger 1,5 ganger Un, oppstår en elektrokjemisk reaksjon. Når den påførte reversspenningen er lang nok, vil kondensatoren renne ut. For å unngå dette fenomenet bør en diode kobles ved siden av hver kondensator når den brukes. Dessuten er spenningsstøtmotstanden til elektrolyttkondensatorer vanligvis 1,15 ganger Un, og de gode kan nå 1,2 ganger Un. Derfor bør designerne ikke bare vurdere den stabile driftsspenningen, men også støtspenningen når de brukes. Oppsummert kan følgende sammenligningstabell mellom filmkondensatorer og elektrolyttkondensatorer tegnes, se figur 1.

2. Applikasjonsanalyse

DC-link-kondensatorer som filtre krever design med høy strøm og høy kapasitet. Et eksempel er hovedmotordriftssystemet til et nytt energikjøretøy som nevnt i figur 3. I denne applikasjonen spiller kondensatoren en avkoblingsrolle, og kretsen har en høy driftsstrøm. Film-DC-link-kondensatoren har fordelen av å kunne tåle store driftsstrømmer (Irms). Ta 50~60 kW parametere for nye energikjøretøy som et eksempel. Parametrene er som følger: driftsspenning 330 Vdc, rippelspenning 10 Vrms, rippelstrøm 150 Arms@10 kHz.

Deretter beregnes den minste elektriske kapasiteten som:

Dette er enkelt å implementere for design av filmkondensatorer. Forutsatt at elektrolyttkondensatorer brukes, og 20 mA/μF tas i betraktning, beregnes minimumskapasitansen til elektrolyttkondensatorene for å oppfylle parametrene ovenfor som følger:

Dette krever flere elektrolyttkondensatorer parallelt koblet for å oppnå denne kapasitansen.

I overspenningsapplikasjoner, som for eksempel lettbane, elektrisk buss, T-bane osv. Siden disse strømforsyningene er koblet til lokomotivets pantograf gjennom pantografen, er kontakten mellom pantografen og pantografen intermitterende under transportkjøringen. Når de to ikke er i kontakt, støttes strømforsyningen av DC-L-blekkkondensatoren, og når kontakten gjenopprettes, genereres overspenning. Det verste tilfellet er en fullstendig utladning av DC-Link-kondensatoren når den frakobles, hvor utladningsspenningen er lik pantografspenningen, og når kontakten gjenopprettes, er den resulterende overspenningen nesten dobbelt så høy som den nominelle driftsspenningen Un. For filmkondensatorer kan DC-Link-kondensatoren håndteres uten ytterligere hensyn. Hvis elektrolyttkondensatorer brukes, er overspenningen 1,2 Un. Ta Shanghai metro som et eksempel. Un = 1500 V likestrøm, for en elektrolyttkondensator å vurdere er spenningen:

Deretter skal de seks 450V kondensatorene seriekobles. Hvis filmkondensatordesign brukes, oppnås det enkelt 600Vdc til 2000Vdc eller til og med 3000Vdc. I tillegg danner energien ved fullstendig utlading av kondensatoren en kortslutningsutladning mellom de to elektrodene, noe som genererer en stor innkoblingsstrøm gjennom DC-link-kondensatoren, som vanligvis er forskjellig for elektrolyttiske kondensatorer for å oppfylle kravene.

I tillegg kan DC-Link-filmkondensatorer, sammenlignet med elektrolyttiske kondensatorer, utformes for å oppnå svært lav ESR (vanligvis under 10 mΩ, og enda lavere <1 mΩ) og selvinduktans LS (vanligvis under 100 nH, og i noen tilfeller under 10 eller 20 nH). Dette gjør at DC-Link-filmkondensatoren kan installeres direkte i IGBT-modulen når den brukes, slik at samleskinnen kan integreres i DC-Link-filmkondensatoren. Dermed elimineres behovet for en dedikert IGBT-absorberkondensator når filmkondensatorer brukes, noe som sparer designeren betydelige penger. Figur 2 og 3 viser de tekniske spesifikasjonene til noen av C3A- og C3B-produktene.

3. Konklusjon

I de tidlige dager var DC-Link-kondensatorer for det meste elektrolyttkondensatorer på grunn av kostnads- og størrelseshensyn.

Elektrolyttiske kondensatorer påvirkes imidlertid av spennings- og strømmotstandsevne (mye høyere ESR sammenlignet med filmkondensatorer), så det er nødvendig å koble flere elektrolyttiske kondensatorer i serie og parallelt for å oppnå stor kapasitet og oppfylle kravene til høyspenningsbruk. I tillegg, med tanke på fordampningen av elektrolyttmateriale, bør det skiftes ut regelmessig. Nye energiapplikasjoner krever vanligvis en levetid på 15 år, så det må skiftes ut 2 til 3 ganger i løpet av denne perioden. Derfor er det betydelige kostnader og ulemper med ettersalgsservice for hele maskinen. Med utviklingen av metalliseringsbeleggteknologi og filmkondensatorteknologi har det vært mulig å produsere DC-filterkondensatorer med høy kapasitet med spenning fra 450 V til 1200 V eller enda høyere med ultratynn OPP-film (den tynneste 2,7 µm, til og med 2,4 µm) ved hjelp av sikkerhetsfilmfordampningsteknologi. På den annen side gjør integreringen av DC-Link-kondensatorer med samleskinnen invertermoduldesignet mer kompakt og reduserer kretsens strøinduktans betraktelig for å optimalisere kretsen.