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 αργιλίου που σχηματίζεται από τη διάβρωση του αλουμινίου, με διηλεκτρική σταθερά 8 έως 8,5 και διηλεκτρική ισχύ λειτουργίας περίπου 0,07V/A (1µm=10000A). Ωστόσο, δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί ένα 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 σχηματίσει μια μεμβράνη οξειδίου του αργιλίου για να επιτευχθούν 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 20mA/µF.

Για αυτούς τους λόγους, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές σχεδιάζονται για μέγιστη τάση 450V τυπικά (ορισμένοι κατασκευαστές σχεδιάζουν για 600V). Επομένως, για να επιτευχθούν υψηλότερες τάσεις, είναι απαραίτητο να επιτευχθούν συνδέοντας πυκνωτές σε σειρά. Ωστόσο, λόγω της διαφοράς στην αντίσταση μόνωσης κάθε ηλεκτρολυτικού πυκνωτή, πρέπει να συνδεθεί μια αντίσταση σε κάθε πυκνωτή για να εξισορροπηθεί η τάση κάθε πυκνωτή που είναι συνδεδεμένος σε σειρά. Επιπλέον, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είναι πολωμένες συσκευές και όταν η εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση υπερβαίνει το 1,5 Un, συμβαίνει μια ηλεκτροχημική αντίδραση. Όταν η εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση είναι αρκετά μεγάλη, ο πυκνωτής θα διαρρεύσει. Για να αποφευχθεί αυτό το φαινόμενο, θα πρέπει να συνδεθεί μια δίοδος δίπλα σε κάθε πυκνωτή όταν χρησιμοποιείται. Επιπλέον, η αντίσταση σε υπερτάσεις τάσης των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών είναι γενικά 1,15 φορές Un και οι καλοί πυκνωτές μπορούν να φτάσουν τις 1,2 φορές Un. Έτσι, οι σχεδιαστές θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη όχι μόνο την τάση λειτουργίας σταθερής κατάστασης αλλά και την τάση υπερτάσεων κατά τη χρήση τους. Συνοψίζοντας, μπορεί να σχεδιαστεί ο ακόλουθος συγκριτικός πίνακας μεταξύ πυκνωτών μεμβράνης και ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, βλ. Σχήμα 1.

2. Ανάλυση Εφαρμογής

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

Στη συνέχεια, η ελάχιστη ηλεκτρική ισχύς υπολογίζεται ως εξής:

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

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

Σε εφαρμογές υπέρτασης, όπως ελαφρύς σιδηρόδρομος, ηλεκτρικό λεωφορείο, μετρό κ.λπ. Λαμβάνοντας υπόψη ότι αυτές οι τάσεις συνδέονται στον παντογράφο της ατμομηχανής μέσω του παντογράφου, η επαφή μεταξύ του παντογράφου και του παντογράφου είναι διακοπτόμενη κατά τη διάρκεια του ταξιδιού μεταφοράς. Όταν οι δύο δεν βρίσκονται σε επαφή, η τροφοδοσία υποστηρίζεται από τον πυκνωτή μελανιού DC-L και όταν αποκατασταθεί η επαφή, δημιουργείται υπέρταση. Η χειρότερη περίπτωση είναι η πλήρης εκφόρτιση από τον πυκνωτή DC-Link όταν αποσυνδεθεί, όπου η τάση εκφόρτισης είναι ίση με την τάση παντογράφου και όταν αποκατασταθεί η επαφή, η προκύπτουσα υπέρταση είναι σχεδόν διπλάσια από την ονομαστική λειτουργική τιμή Un. Για τους πυκνωτές μεμβράνης, ο πυκνωτής DC-Link μπορεί να αντιμετωπιστεί χωρίς πρόσθετη εξέταση. Εάν χρησιμοποιούνται ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, η υπέρταση είναι 1,2 Un. Πάρτε ως παράδειγμα το μετρό της Σαγκάης. Un=1500Vdc, για τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή που πρέπει να ληφθεί υπόψη η τάση είναι:

Στη συνέχεια, οι έξι πυκνωτές 450V πρέπει να συνδεθούν σε σειρά. Εάν χρησιμοποιηθεί σχεδιασμός πυκνωτή φιλμ, η τάση επιτυγχάνεται εύκολα από 600Vdc έως 2000Vdc ή ακόμα και 3000Vdc. Επιπλέον, η ενέργεια σε περίπτωση πλήρους εκφόρτισης του πυκνωτή σχηματίζει μια βραχυκύκλωμα εκκένωσης μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, δημιουργώντας ένα μεγάλο ρεύμα εισροής μέσω του πυκνωτή DC-Link, το οποίο συνήθως διαφέρει για τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές για να καλύψουν τις απαιτήσεις.

Επιπλέον, σε σύγκριση με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι πυκνωτές μεμβράνης DC-Link μπορούν να σχεδιαστούν για να επιτύχουν πολύ χαμηλή ESR (συνήθως κάτω από 10mΩ και ακόμη χαμηλότερη <1mΩ) και αυτοεπαγωγή LS (συνήθως κάτω από 100nH και σε ορισμένες περιπτώσεις κάτω από 10 ή 20nH). Αυτό επιτρέπει την εγκατάσταση του πυκνωτή μεμβράνης DC-Link απευθείας στη μονάδα IGBT όταν εφαρμόζεται, επιτρέποντας την ενσωμάτωση της ράβδου διαύλου στον πυκνωτή μεμβράνης DC-Link, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για έναν ειδικό πυκνωτή απορρόφησης IGBT κατά τη χρήση πυκνωτών μεμβράνης, εξοικονομώντας στον σχεδιαστή ένα σημαντικό χρηματικό ποσό. Τα Σχήματα 2 και 3 δείχνουν τις τεχνικές προδιαγραφές ορισμένων προϊόντων C3A και C3B.

3. Συμπέρασμα

Στις πρώτες μέρες, οι πυκνωτές DC-Link ήταν ως επί το πλείστον 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 τους πυκνωτές μεμβράνης), επομένως είναι απαραίτητο να συνδέονται αρκετοί ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές σε σειρά και παράλληλα, προκειμένου να επιτευχθεί μεγάλη χωρητικότητα και να καλυφθούν οι απαιτήσεις χρήσης υψηλής τάσης. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη την εξάτμιση του ηλεκτρολυτικού υλικού, θα πρέπει να αντικαθίσταται τακτικά. Οι νέες ενεργειακές εφαρμογές απαιτούν γενικά διάρκεια ζωής προϊόντος 15 ετών, επομένως πρέπει να αντικαθίσταται 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 μεταλλοποίησης και της τεχνολογίας πυκνωτών μεμβράνης, κατέστη δυνατή η παραγωγή πυκνωτών φίλτρου DC υψηλής χωρητικότητας με τάση από 450V έως 1200V ή και υψηλότερη με εξαιρετικά λεπτή μεμβράνη OPP (η λεπτότερη 2,7µm, ακόμη και 2,4µm) χρησιμοποιώντας τεχνολογία εξάτμισης μεμβράνης ασφαλείας. Από την άλλη πλευρά, η ενσωμάτωση πυκνωτών DC-Link με τη ράβδο διαύλου καθιστά τον σχεδιασμό της μονάδας μετατροπέα πιο συμπαγή και μειώνει σημαντικά την αδέσποτη επαγωγή του κυκλώματος για βελτιστοποίηση του κυκλώματος.