Αυτή την εβδομάδα συνεχίζουμε με το άρθρο της προηγούμενης εβδομάδας.

1.2 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές

Το διηλεκτρικό που χρησιμοποιείται στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές είναι το οξείδιο του αλουμινίου που σχηματίζεται από τη διάβρωση του αλουμινίου, με διηλεκτρική σταθερά από 8 έως 8,5 και διηλεκτρική ισχύ περίπου 0,07 V/A (1μm=10000A).Ωστόσο, δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί τέτοιο πάχος.Το πάχος του στρώματος αλουμινίου μειώνει τον συντελεστή χωρητικότητας (ειδική χωρητικότητα) των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών επειδή το φύλλο αλουμινίου πρέπει να χαραχθεί για να σχηματιστεί μια μεμβράνη οξειδίου αλουμινίου για να ληφθούν καλά χαρακτηριστικά αποθήκευσης ενέργειας και η επιφάνεια θα σχηματίσει πολλές ανώμαλες επιφάνειες.Από την άλλη πλευρά, η ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη είναι 150Ωcm για χαμηλή τάση και 5kΩcm για υψηλή τάση (500V).Η υψηλότερη ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη περιορίζει το ρεύμα RMS που μπορεί να αντέξει ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, συνήθως στα 20 mA/μF.

Για αυτούς τους λόγους οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν σχεδιαστεί για μέγιστη τάση 450V τυπική (ορισμένοι μεμονωμένοι κατασκευαστές σχεδιάζουν για 600V).Επομένως, για να αποκτήσετε υψηλότερες τάσεις είναι απαραίτητο να τις επιτύχετε συνδέοντας πυκνωτές σε σειρά.Ωστόσο, λόγω της διαφοράς στην αντίσταση μόνωσης κάθε ηλεκτρολυτικού πυκνωτή, πρέπει να συνδεθεί μια αντίσταση σε κάθε πυκνωτή προκειμένου να εξισορροπηθεί η τάση κάθε πυκνωτή που συνδέεται σε σειρά.Επιπλέον, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είναι πολωμένες συσκευές και όταν η εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση υπερβαίνει το 1,5 φορές Un, εμφανίζεται ηλεκτροχημική αντίδραση.Όταν η εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση είναι αρκετά μεγάλη, ο πυκνωτής θα χυθεί έξω.Για να αποφευχθεί αυτό το φαινόμενο, θα πρέπει να συνδέεται μια δίοδος δίπλα σε κάθε πυκνωτή όταν χρησιμοποιείται.Εξάλλου, η αντίσταση υπέρτασης τάσης των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών είναι γενικά 1,15 φορές Un και οι καλοί μπορούν να φτάσουν 1,2 φορές Un.Έτσι, οι σχεδιαστές θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη όχι μόνο την τάση λειτουργίας σταθερής κατάστασης, αλλά και την τάση υπέρτασης κατά τη χρήση τους.Συνοπτικά, μπορεί να σχεδιαστεί ο παρακάτω πίνακας σύγκρισης μεταξύ πυκνωτών φιλμ και ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, βλέπε Εικ.1.

2. Ανάλυση Εφαρμογών

Οι πυκνωτές DC-Link ως φίλτρα απαιτούν σχέδια υψηλού ρεύματος και υψηλής χωρητικότητας.Ένα παράδειγμα είναι το κύριο σύστημα κίνησης κινητήρα ενός νέου ενεργειακού οχήματος όπως αναφέρεται στο Σχ.3.Σε αυτήν την εφαρμογή ο πυκνωτής παίζει ρόλο αποσύνδεσης και το κύκλωμα διαθέτει υψηλό ρεύμα λειτουργίας.Ο πυκνωτής φιλμ DC-Link έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να αντέχει μεγάλα ρεύματα λειτουργίας (Irms).Πάρτε για παράδειγμα τις παραμέτρους οχημάτων νέας ενέργειας 50~60 kW, οι παράμετροι είναι οι εξής: τάση λειτουργίας 330 Vdc, τάση κυματισμού 10 Vrms, ρεύμα κυματισμού 150 Arms@10KHz.

Τότε η ελάχιστη ηλεκτρική χωρητικότητα υπολογίζεται ως:

Αυτό είναι εύκολο στην εφαρμογή για σχεδιασμό πυκνωτή φιλμ.Υποθέτοντας ότι χρησιμοποιούνται ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, εάν ληφθούν υπόψη 20 mA/μF, η ελάχιστη χωρητικότητα των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών υπολογίζεται για να πληροί τις παραπάνω παραμέτρους ως εξής:

Αυτό απαιτεί πολλαπλούς ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές παράλληλα συνδεδεμένους για να επιτευχθεί αυτή η χωρητικότητα.

Σε εφαρμογές υπέρτασης, όπως τραμ, ηλεκτρικό λεωφορείο, μετρό, κ.λπ. Λαμβάνοντας υπόψη ότι αυτές οι ισχύς συνδέονται με τον παντογράφο της ατμομηχανής μέσω του παντογράφου, η επαφή μεταξύ του παντογράφου και του παντογράφου είναι διακοπτόμενη κατά τη διάρκεια του ταξιδιού μεταφοράς.Όταν τα δύο δεν έρχονται σε επαφή, η παροχή ρεύματος υποστηρίζεται από τον πυκνωτή μελάνης DC-L και όταν αποκατασταθεί η επαφή, δημιουργείται υπέρταση.Η χειρότερη περίπτωση είναι μια πλήρης εκφόρτιση από τον πυκνωτή DC-Link όταν αποσυνδεθεί, όπου η τάση εκφόρτισης είναι ίση με την τάση του παντογράφου και όταν αποκατασταθεί η επαφή, η προκύπτουσα υπέρταση είναι σχεδόν διπλάσια της ονομαστικής λειτουργίας Un.Για πυκνωτές φιλμ, ο πυκνωτής DC-Link μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς πρόσθετη προσοχή.Εάν χρησιμοποιούνται ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, η υπέρταση είναι 1,2 Un.Πάρτε για παράδειγμα το μετρό της Σαγκάης.Un=1500Vdc, για τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή να λάβει υπόψη την τάση είναι:

Στη συνέχεια, οι έξι πυκνωτές 450 V πρέπει να συνδεθούν σε σειρά.Εάν ο σχεδιασμός πυκνωτή φιλμ χρησιμοποιείται σε 600Vdc έως 2000Vdc ή ακόμα και 3000Vdc επιτυγχάνεται εύκολα.Επιπλέον, η ενέργεια στην περίπτωση της πλήρους εκφόρτισης του πυκνωτή σχηματίζει μια εκφόρτιση βραχυκυκλώματος μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, δημιουργώντας ένα μεγάλο ρεύμα εισόδου μέσω του πυκνωτή DC-Link, το οποίο είναι συνήθως διαφορετικό για τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές για να πληρούν τις απαιτήσεις.

Επιπλέον, σε σύγκριση με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι πυκνωτές φιλμ DC-Link μπορούν να σχεδιαστούν για να επιτυγχάνουν πολύ χαμηλό ESR (συνήθως κάτω από 10mΩ και ακόμη χαμηλότερο <1mΩ) και LS αυτοεπαγωγής (συνήθως κάτω από 100nH και σε ορισμένες περιπτώσεις κάτω από 10 ή 20nH) .Αυτό επιτρέπει στον πυκνωτή φιλμ DC-Link να εγκατασταθεί απευθείας στη μονάδα IGBT όταν εφαρμόζεται, επιτρέποντας στη ράβδο διαύλου να ενσωματωθεί στον πυκνωτή φιλμ DC-Link, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για έναν αποκλειστικό πυκνωτή απορροφητή IGBT κατά τη χρήση πυκνωτών φιλμ, εξοικονομώντας ο σχεδιαστής ένα σημαντικό χρηματικό ποσό.Εικ.2.και 3 δείχνουν τις τεχνικές προδιαγραφές ορισμένων προϊόντων C3A και C3B.

3. Συμπέρασμα

Στις πρώτες μέρες, οι πυκνωτές DC-Link ήταν κυρίως ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές λόγω κόστους και μεγέθους.

Ωστόσο, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές επηρεάζονται από την ικανότητα αντοχής σε τάση και ρεύμα (πολύ υψηλότερο ESR σε σύγκριση με πυκνωτές φιλμ), επομένως είναι απαραίτητο να συνδεθούν αρκετοί ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές σε σειρά και παράλληλα προκειμένου να επιτευχθεί μεγάλη χωρητικότητα και να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις χρήσης υψηλής τάσης.Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη την εξάτμιση του ηλεκτρολυτικού υλικού, θα πρέπει να αντικαθίσταται τακτικά.Οι εφαρμογές νέας ενέργειας απαιτούν γενικά διάρκεια ζωής του προϊόντος 15 χρόνια, επομένως πρέπει να αντικατασταθεί 2 έως 3 φορές κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.Επομένως, υπάρχει σημαντικό κόστος και ταλαιπωρία στην εξυπηρέτηση μετά την πώληση ολόκληρου του μηχανήματος.Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας επικάλυψης επιμετάλλωσης και της τεχνολογίας πυκνωτών φιλμ, κατέστη δυνατή η παραγωγή πυκνωτών φίλτρου DC υψηλής χωρητικότητας με τάση από 450V έως 1200V ή ακόμα υψηλότερη με εξαιρετικά λεπτό φιλμ OPP (το λεπτότερο 2,7μm, ακόμη και 2,4μm) χρησιμοποιώντας τεχνολογία ατμοποίησης φιλμ ασφαλείας.Από την άλλη πλευρά, η ενσωμάτωση των πυκνωτών DC-Link με τη ράβδο διαύλου καθιστά τη σχεδίαση της μονάδας μετατροπέα πιο συμπαγή και μειώνει σημαντικά την αδέσποτη επαγωγή του κυκλώματος για τη βελτιστοποίηση του κυκλώματος.