Тази седмица продължаваме със статията от миналата седмица.

1.2 Електролитни кондензатори

Диелектрикът, използван в електролитните кондензатори, е алуминиев оксид, образуван чрез корозия на алуминий, с диелектрична константа от 8 до 8,5 и работна диелектрична якост от около 0,07V/A (1µm=10000A). Не е възможно обаче да се постигне такава дебелина. Дебелината на алуминиевия слой намалява коефициента на капацитет (специфичния капацитет) на електролитните кондензатори, тъй като алуминиевото фолио трябва да бъде ецвано, за да се образува филм от алуминиев оксид, за да се получат добри характеристики за съхранение на енергия, а повърхността ще образува много неравни повърхности. От друга страна, съпротивлението на електролита е 150Ωcm за ниско напрежение и 5kΩcm за високо напрежение (500V). По-високото съпротивление на електролита ограничава RMS тока, който електролитният кондензатор може да издържи, обикновено до 20mA/µF.

Поради тези причини електролитните кондензатори са проектирани за максимално напрежение от типично 450V (някои отделни производители проектират за 600V). Следователно, за да се получат по-високи напрежения, е необходимо те да се постигнат чрез последователно свързване на кондензатори. Поради разликата в изолационното съпротивление на всеки електролитен кондензатор обаче, към всеки кондензатор трябва да се свърже резистор, за да се балансира напрежението на всеки последователно свързан кондензатор. Освен това, електролитните кондензатори са поляризирани устройства и когато приложеното обратно напрежение надвиши 1,5 пъти Un, възниква електрохимична реакция. Когато приложеното обратно напрежение е достатъчно дълго, кондензаторът ще се разлее. За да се избегне това явление, до всеки кондензатор, когато се използва, трябва да се свърже диод. Освен това, съпротивлението на пренапрежение на електролитните кондензатори обикновено е 1,15 пъти Un, а добрите могат да достигнат 1,2 пъти Un. Така че проектантите трябва да вземат предвид не само работното напрежение в стационарно състояние, но и пренапрежението при използването им. В обобщение, може да се направи следната сравнителна таблица между филмови кондензатори и електролитни кондензатори, вижте Фиг.1.

2. Анализ на приложението

DC-Link кондензаторите като филтри изискват конструкции с висок ток и висок капацитет. Пример за това е основната задвижваща система на ново енергийно превозно средство, както е посочено на Фиг. 3. В това приложение кондензаторът играе разделителна роля и веригата е с висок работен ток. Филмовият DC-Link кондензатор има предимството, че може да издържа на големи работни токове (Irms). Вземете за пример параметрите на ново енергийно превозно средство с мощност 50~60kW, като параметрите са следните: работно напрежение 330 Vdc, напрежение на пулсации 10Vrms, ток на пулсации 150Arms@10KHz.

Тогава минималният електрически капацитет се изчислява като:

Това е лесно за изпълнение при проектиране на филмови кондензатори. Ако се използват електролитни кондензатори и се вземе предвид 20mA/μF, минималният капацитет на електролитните кондензатори се изчислява, за да отговаря на горните параметри, както следва:

Това изисква множество електролитни кондензатори, свързани паралелно, за да се получи този капацитет.

В приложения с пренапрежение, като например леки железници, електрически автобуси, метро и др., като се има предвид, че тези захранвания са свързани към пантографа на локомотива чрез пантографа, контактът между пантографа и пантографа е прекъсващ по време на пътуването. Когато двете не са в контакт, захранването се поддържа от мастиления кондензатор DC-L и когато контактът се възстанови, се генерира пренапрежение. Най-лошият случай е пълно разреждане от кондензатора DC-Link при изключване, където напрежението на разреждане е равно на напрежението на пантографа, а когато контактът се възстанови, полученото пренапрежение е почти два пъти номиналното работно Un. За филмови кондензатори DC-Link кондензаторът може да се обработва без допълнително съобразяване. Ако се използват електролитни кондензатори, пренапрежението е 1,2 Un. Вземете за пример метрото в Шанхай. Un=1500Vdc, за електролитен кондензатор, за да се вземе предвид напрежението, е:

След това шестте кондензатора от 450 V трябва да бъдат свързани последователно. Ако се използва филмов кондензатор, лесно се постига напрежение от 600 V до 2000 V или дори 3000 V. Освен това, енергията в случай на пълно разреждане на кондензатора образува късо съединение между двата електрода, генерирайки голям пусков ток през DC-Link кондензатора, който обикновено е различен за електролитните кондензатори, за да отговаря на изискванията.

Освен това, в сравнение с електролитните кондензатори, DC-Link филмовите кондензатори могат да бъдат проектирани да постигнат много ниско ESR (обикновено под 10mΩ и дори по-ниско <1mΩ) и самоиндуктивност LS (обикновено под 100nH, а в някои случаи под 10 или 20nH). Това позволява DC-Link филмовият кондензатор да бъде инсталиран директно в IGBT модула, когато е приложен, което позволява шината да бъде интегрирана във DC-Link филмовия кондензатор, като по този начин се елиминира необходимостта от специален IGBT абсорбиращ кондензатор при използване на филмови кондензатори, спестявайки на проектанта значителна сума пари. Фиг. 2 и 3 показват техническите спецификации на някои от продуктите C3A и C3B.

3. Заключение

В ранните дни, DC-Link кондензаторите са били предимно електролитни кондензатори поради съображения за цена и размер.

Електролитните кондензатори обаче са повлияни от способността си да издържат на напрежение и ток (много по-висок ESR в сравнение с филмовите кондензатори), така че е необходимо да се свържат няколко електролитни кондензатора последователно и паралелно, за да се получи голям капацитет и да се отговорят на изискванията за използване с високо напрежение. Освен това, като се има предвид изпаряването на електролитния материал, той трябва да се сменя редовно. Новите енергийни приложения обикновено изискват живот на продукта от 15 години, така че той трябва да се сменя 2 до 3 пъти през този период. Следователно, има значителни разходи и неудобства при следпродажбеното обслужване на цялата машина. С развитието на технологията за метализиращо покритие и технологията за филмови кондензатори стана възможно производството на висококапацитетни DC филтърни кондензатори с напрежение от 450V до 1200V или дори по-високо с ултратънък OPP филм (най-тънкият 2.7µm, дори 2.4µm), използвайки технология за изпаряване на защитен филм. От друга страна, интегрирането на DC-Link кондензатори с шината прави дизайна на инверторния модул по-компактен и значително намалява разсейващата индуктивност на веригата, за да се оптимизира веригата.