Tento týždeň pokračujeme v článku z minulého týždňa.

1.2 Elektrolytické kondenzátory

Dielektrikum používané v elektrolytických kondenzátoroch je oxid hlinitý, ktorý vzniká koróziou hliníka, s dielektrickou konštantou 8 až 8,5 a pracovnou dielektrickou pevnosťou približne 0,07 V/A (1 µm = 10 000 A). Takúto hrúbku však nie je možné dosiahnuť. Hrúbka hliníkovej vrstvy znižuje kapacitný faktor (mernú kapacitu) elektrolytických kondenzátorov, pretože hliníková fólia musí byť leptaná, aby sa vytvoril film oxidu hlinitého, aby sa dosiahli dobré vlastnosti akumulácie energie, a povrch bude tvoriť veľa nerovných povrchov. Na druhej strane, merný odpor elektrolytu je 150 Ω cm pre nízke napätie a 5 kΩ cm pre vysoké napätie (500 V). Vyšší merný odpor elektrolytu obmedzuje RMS prúd, ktorý elektrolytický kondenzátor znesie, zvyčajne na 20 mA/µF.

Z týchto dôvodov sú elektrolytické kondenzátory navrhnuté pre maximálne napätie typicky 450 V (niektorí jednotliví výrobcovia navrhujú pre 600 V). Preto, aby sa dosiahlo vyššie napätie, je potrebné ho dosiahnuť sériovým zapojením kondenzátorov. Avšak kvôli rozdielu v izolačnom odpore každého elektrolytického kondenzátora musí byť ku každému kondenzátoru pripojený rezistor, aby sa vyrovnalo napätie každého sériovo zapojeného kondenzátora. Okrem toho sú elektrolytické kondenzátory polarizované zariadenia a keď aplikované spätné napätie prekročí 1,5-násobok Un, dochádza k elektrochemickej reakcii. Keď je aplikované spätné napätie dostatočne dlhé, kondenzátor sa vyleje. Aby sa tomuto javu predišlo, mala by sa pri použití ku každému kondenzátoru pripojiť dióda. Okrem toho je odolnosť elektrolytických kondenzátorov voči prepätiu vo všeobecnosti 1,15-násobok Un a tie dobré môžu dosiahnuť 1,2-násobok Un. Preto by konštruktéri mali pri ich používaní zvážiť nielen pracovné napätie v ustálenom stave, ale aj prepätie. Stručne povedané, možno zostaviť nasledujúcu porovnávaciu tabuľku medzi filmovými a elektrolytickými kondenzátormi, pozri obr. 1.

2. Analýza aplikácie

Kondenzátory DC-Link ako filtre vyžadujú konštrukcie s vysokým prúdom a vysokou kapacitou. Príkladom je hlavný systém pohonu motora nového energetického vozidla, ako je uvedené na obr. 3. V tejto aplikácii kondenzátor hrá oddeľovaciu úlohu a obvod sa vyznačuje vysokým prevádzkovým prúdom. Filmový kondenzátor DC-Link má výhodu v tom, že dokáže odolať veľkým prevádzkovým prúdom (Irms). Vezmime si ako príklad parametre energetického vozidla s výkonom 50~60 kW, ktoré sú nasledovné: prevádzkové napätie 330 Vdc, zvlnenie napätia 10 Vrms, zvlnenie prúdu 150 Arms pri 10 kHz.

Potom sa minimálna elektrická kapacita vypočíta ako:

Toto je jednoduché na implementáciu pri návrhu filmových kondenzátorov. Za predpokladu, že sa používajú elektrolytické kondenzátory a ak sa vezme do úvahy 20 mA/μF, minimálna kapacita elektrolytických kondenzátorov sa vypočíta tak, aby spĺňala vyššie uvedené parametre, takto:

Na dosiahnutie tejto kapacity je potrebných viacero paralelne zapojených elektrolytických kondenzátorov.

V aplikáciách s prepätím, ako sú ľahké železnice, elektrické autobusy, metro atď. Vzhľadom na to, že tieto zdroje sú pripojené k pantografu lokomotívy cez pantograf, je kontakt medzi pantografom a pantografom počas prepravy prerušovaný. Keď nie sú v kontakte, napájanie je podporované atramentovým kondenzátorom DC-L a po obnovení kontaktu sa generuje prepätie. Najhorším prípadom je úplné vybitie kondenzátora DC-Link pri odpojení, kde sa vybíjacie napätie rovná napätiu pantografu a po obnovení kontaktu je výsledné prepätie takmer dvojnásobkom menovitého prevádzkového Un. Pri filmových kondenzátoroch je možné s kondenzátorom DC-Link manipulovať bez dodatočného zohľadnenia. Ak sa používajú elektrolytické kondenzátory, prepätie je 1,2 Un. Ako príklad si vezmime metro v Šanghaji. Un=1500Vdc, pre elektrolytický kondenzátor je potrebné zvážiť napätie:

Potom sa šesť kondenzátorov s napätím 450 V zapojí sériovo. Ak sa použije fóliový kondenzátor, ľahko sa dosiahne napätie od 600 V jednosmerného prúdu do 2 000 V jednosmerného prúdu alebo dokonca 3 000 V jednosmerného prúdu. Okrem toho energia v prípade úplného vybitia kondenzátora vytvára skratový výboj medzi dvoma elektródami, čo generuje veľký nárazový prúd cez kondenzátor jednosmerného prepojenia, ktorý sa pri elektrolytických kondenzátoroch zvyčajne líši, aby spĺňal požiadavky.

Okrem toho, v porovnaní s elektrolytickými kondenzátormi, môžu byť filmové kondenzátory DC-Link navrhnuté tak, aby dosahovali veľmi nízke ESR (zvyčajne pod 10 mΩ a dokonca nižšie < 1 mΩ) a vlastnú indukčnosť LS (zvyčajne pod 100 nH a v niektorých prípadoch pod 10 alebo 20 nH). To umožňuje inštaláciu filmového kondenzátora DC-Link priamo do modulu IGBT po jeho použití, čo umožňuje integráciu zbernice do filmového kondenzátora DC-Link, čím sa eliminuje potreba samostatného absorpčného kondenzátora IGBT pri použití filmových kondenzátorov, čo konštruktérovi ušetrí značné množstvo peňazí. Obr. 2 a 3 znázorňujú technické špecifikácie niektorých produktov C3A a C3B.

3. Záver

V začiatkoch boli kondenzátory DC-Link prevažne elektrolytické kvôli nákladom a veľkosti.

Elektrolytické kondenzátory sú však ovplyvnené napäťovou a prúdovou odolnosťou (oveľa vyššie ESR v porovnaní s filmovými kondenzátormi), takže je potrebné zapojiť niekoľko elektrolytických kondenzátorov sériovo a paralelne, aby sa dosiahla veľká kapacita a splnili požiadavky na použitie pri vysokom napätí. Okrem toho, vzhľadom na prchanie elektrolytu, by sa mal pravidelne vymieňať. Nové energetické aplikácie zvyčajne vyžadujú životnosť produktu 15 rokov, takže počas tohto obdobia sa musí vymeniť 2 až 3-krát. Preto sú náklady a nepríjemnosti spojené s popredajným servisom celého zariadenia značné. S rozvojom technológie metalizácie a technológie filmových kondenzátorov bolo možné vyrábať vysokokapacitné jednosmerné filtračné kondenzátory s napätím od 450 V do 1200 V alebo aj vyššie s ultratenkou OPP vrstvou (najtenšia 2,7 µm, dokonca 2,4 µm) pomocou technológie odparovania bezpečnostnej vrstvy. Na druhej strane, integrácia DC-Link kondenzátorov so zbernicou robí konštrukciu modulu meniča kompaktnejšou a výrazne znižuje rozptylovú indukčnosť obvodu, aby sa obvod optimalizoval.