Tällä viikolla jatkamme viime viikon artikkelin parissa.

1.2 Elektrolyyttikondensaattorit

Elektrolyyttikondensaattoreissa käytetty dielektrinen materiaali on alumiinin korroosiossa muodostuva alumiinioksidi, jonka dielektrinen vakio on 8–8,5 ja käyttödielektrinen lujuus noin 0,07 V/A (1 µm = 10 000 A). Tällaista paksuutta ei kuitenkaan ole mahdollista saavuttaa. Alumiinikerroksen paksuus pienentää elektrolyyttikondensaattoreiden kapasiteettikerrointa (ominaiskapasitanssia), koska alumiinifolio on syövytettävä alumiinioksidikalvon muodostamiseksi hyvien energianvarastointiominaisuuksien saavuttamiseksi, ja pintaan muodostuu monia epätasaisia ​​pintoja. Toisaalta elektrolyytin resistiivisyys on 150 Ωcm matalajännitteellä ja 5 kΩcm korkeajännitteellä (500 V). Elektrolyytin suurempi resistiivisyys rajoittaa elektrolyyttikondensaattorin kestämää RMS-virtaa, tyypillisesti 20 mA/µF:iin.

Näistä syistä elektrolyyttikondensaattorit on suunniteltu tyypillisesti 450 V:n maksimijännitteelle (jotkut yksittäiset valmistajat suunnittelevat 600 V:lle). Siksi korkeampien jännitteiden saavuttamiseksi on tarpeen saavuttaa ne kytkemällä kondensaattorit sarjaan. Elektrolyyttikondensaattoreiden eristysresistanssierojen vuoksi jokaiseen kondensaattoriin on kuitenkin kytkettävä vastus sarjaan kytketyn kondensaattorin jännitteen tasapainottamiseksi. Lisäksi elektrolyyttikondensaattorit ovat polarisoituja laitteita, ja kun käytetty vastajännite ylittää 1,5 kertaa Un, tapahtuu sähkökemiallinen reaktio. Kun käytetty vastajännite on riittävän pitkä, kondensaattori purkautuu. Tämän ilmiön välttämiseksi jokaisen kondensaattorin viereen tulisi kytkeä diodi, kun sitä käytetään. Lisäksi elektrolyyttikondensaattoreiden jännitepiikin vastus on yleensä 1,15 kertaa Un, ja hyvien kondensaattoreiden jännitepiikin vastus voi olla 1,2 kertaa Un. Siksi suunnittelijoiden tulisi ottaa huomioon paitsi vakiotilan käyttöjännite myös ylijännite niitä käytettäessä. Yhteenvetona voidaan piirtää seuraava vertailutaulukko kalvokondensaattoreiden ja elektrolyyttikondensaattoreiden välillä, katso kuva 1.

2. Sovellusanalyysi

Suodattimina käytettävät tasavirtalinkkikondensaattorit vaativat suuria virta- ja kapasiteettirakenteita. Esimerkkinä tästä on kuvassa 3 mainittu uuden energian ajoneuvon päämoottorikäyttöjärjestelmä. Tässä sovelluksessa kondensaattorilla on irrotusrooli ja piirillä on suuri käyttövirta. Kalvotasavirtalinkkikondensaattorin etuna on, että se kestää suuria käyttövirtoja (Irms). Esimerkkinä voidaan mainita 50–60 kW:n uuden energian ajoneuvon parametrit. Parametrit ovat seuraavat: käyttöjännite 330 Vdc, ripple-jännite 10 Vrms, ripple-virta 150 Arms @ 10 kHz.

Sitten pienin sähkökapasiteetti lasketaan seuraavasti:

Tämä on helppo toteuttaa kalvokondensaattorien suunnittelussa. Olettaen, että käytetään elektrolyyttikondensaattoreita ja 20 mA/μF:n virralla elektrolyyttikondensaattoreiden vähimmäiskapasitanssi lasketaan yllä olevien parametrien täyttämiseksi seuraavasti:

Tämä vaatii useita rinnan kytkettyjä elektrolyyttikondensaattoreita tämän kapasitanssin saavuttamiseksi.

Ylijännitesovelluksissa, kuten pikaraitiovaunuissa, sähköbusseissa, metroissa jne. Koska nämä tehot on kytketty veturin virroittimeen virroittimen kautta, virroittimen ja virroittimen välinen kontakti on katkonaista kuljetusmatkan aikana. Kun ne eivät ole kosketuksessa, virransyöttöä tukee DC-L-mustekondensaattori, ja kun kontakti palautuu, syntyy ylijännite. Pahimmassa tapauksessa DC-linkkikondensaattori purkautuu kokonaan irrotettaessa, jolloin purkausjännite on yhtä suuri kuin virroittimen jännite, ja kun kontakti palautuu, syntyvä ylijännite on lähes kaksinkertainen nimelliskäyttöiseen Un-jänniteeseen verrattuna. Kalvokondensaattoreilla DC-linkkikondensaattoria voidaan käsitellä ilman lisätarkastelua. Jos käytetään elektrolyyttikondensaattoreita, ylijännite on 1,2 Un. Otetaan esimerkiksi Shanghain metro. Un = 1500 Vdc, elektrolyyttikondensaattorin jännite on:

Sitten kuusi 450 V:n kondensaattoria on kytkettävä sarjaan. Jos käytetään kalvokondensaattorirakennetta, 600 Vdc:stä 2000 Vdc:hen tai jopa 3000 Vdc:hen päästään helposti. Lisäksi kondensaattorin täydellisen purkauksen yhteydessä syntyvä energia muodostaa oikosulun kahden elektrodin välille, mikä synnyttää suuren kytkentävirran tasavirtalinkkikondensaattorin läpi. Tämä on yleensä erilainen elektrolyyttikondensaattoreilla vaatimusten täyttämiseksi.

Lisäksi DC-Link-kalvokondensaattoreita voidaan elektrolyyttikondensaattoreihin verrattuna suunnitella siten, että ne saavuttavat erittäin alhaisen ESR:n (tyypillisesti alle 10 mΩ ja jopa alle <1 mΩ) ja itseinduktanssin LS (tyypillisesti alle 100 nH ja joissakin tapauksissa alle 10 tai 20 nH). Tämä mahdollistaa DC-Link-kalvokondensaattorin asentamisen suoraan IGBT-moduuliin, jolloin väyläkisko voidaan integroida DC-Link-kalvokondensaattoriin. Tämä poistaa tarpeen erilliselle IGBT-absorboivalle kondensaattorille kalvokondensaattoreita käytettäessä, mikä säästää suunnittelijalta merkittävästi rahaa. Kuvat 2 ja 3 esittävät joidenkin C3A- ja C3B-tuotteiden tekniset tiedot.

3. Johtopäätös

Alkuaikoina DC-Link-kondensaattorit olivat enimmäkseen elektrolyyttikondensaattoreita kustannus- ja kokosyistä.

Elektrolyyttikondensaattoreihin kuitenkin vaikuttavat jännitteen ja virran kestokyky (paljon korkeampi ESR verrattuna kalvokondensaattoreihin), joten on tarpeen kytkeä useita elektrolyyttikondensaattoreita sarjaan ja rinnan suuren kapasiteetin saavuttamiseksi ja suurjännitekäytön vaatimusten täyttämiseksi. Lisäksi elektrolyyttimateriaalin haihtumisen vuoksi se on vaihdettava säännöllisesti. Uudet energiasovellukset vaativat yleensä 15 vuoden tuotteen käyttöiän, joten se on vaihdettava 2–3 kertaa tänä aikana. Siksi koko koneen jälkimarkkinointipalvelu aiheuttaa huomattavia kustannuksia ja vaivaa. Metallointipinnoitustekniikan ja kalvokondensaattoritekniikan kehittymisen myötä on ollut mahdollista tuottaa suurikapasiteettisia DC-suodatinkondensaattoreita, joiden jännite on 450 V - 1200 V tai jopa korkeampi, erittäin ohuella OPP-kalvolla (ohuin 2,7 µm, jopa 2,4 µm) käyttämällä turvakalvohöyrystystekniikkaa. Toisaalta DC-linkkikondensaattoreiden integrointi väyläkiskoon tekee invertterimoduulin suunnittelusta kompaktimman ja vähentää huomattavasti piirin hajainduktanssia piirin optimoimiseksi.