Ovaj tjedan nastavljamo s člankom od prošlog tjedna.

1.2 Elektrolitički kondenzatori

Dielektrik koji se koristi u elektrolitskim kondenzatorima je aluminijev oksid nastao korozijom aluminija, s dielektričnom konstantom od 8 do 8,5 i radnom dielektričnom čvrstoćom od oko 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Međutim, nije moguće postići takvu debljinu. Debljina aluminijskog sloja smanjuje faktor kapaciteta (specifični kapacitet) elektrolitskih kondenzatora jer se aluminijska folija mora jetkati kako bi se formirao film aluminijevog oksida za postizanje dobrih karakteristika pohrane energije, a površina će formirati mnogo neravnih površina. S druge strane, otpor elektrolita je 150 Ω cm za niski napon i 5 kΩ cm za visoki napon (500 V). Veći otpor elektrolita ograničava efektivnu vrijednost struje koju elektrolitski kondenzator može podnijeti, obično na 20 mA/µF.

Iz tih razloga elektrolitski kondenzatori su dizajnirani za maksimalni napon od tipično 450 V (neki pojedinačni proizvođači dizajniraju za 600 V). Stoga, kako bi se postigli veći naponi, potrebno ih je postići spajanjem kondenzatora u seriju. Međutim, zbog razlike u izolacijskom otporu svakog elektrolitskog kondenzatora, otpornik mora biti spojen na svaki kondenzator kako bi se uravnotežio napon svakog serijski spojenog kondenzatora. Osim toga, elektrolitski kondenzatori su polarizirani uređaji i kada primijenjeni povratni napon premaši 1,5 puta Un, dolazi do elektrokemijske reakcije. Kada je primijenjeni povratni napon dovoljno dug, kondenzator će se izliti. Kako bi se izbjegao ovaj fenomen, dioda treba biti spojena pored svakog kondenzatora kada se koristi. Osim toga, otpor elektrolitskih kondenzatora na prenapon općenito je 1,15 puta Un, a dobri mogu doseći 1,2 puta Un. Stoga bi dizajneri trebali uzeti u obzir ne samo radni napon u stacionarnom stanju već i prenapon prilikom njihove upotrebe. Ukratko, može se izraditi sljedeća tablica usporedbe između filmskih i elektrolitskih kondenzatora, vidi sliku 1.

2. Analiza aplikacije

DC-Link kondenzatori kao filteri zahtijevaju dizajn s visokom strujom i velikim kapacitetom. Primjer je glavni sustav pogona motora novog energetskog vozila kao što je spomenuto na slici 3. U ovoj primjeni kondenzator igra ulogu razdvajanja, a krug ima visoku radnu struju. Filmski DC-Link kondenzator ima prednost što može podnijeti velike radne struje (Irms). Uzmimo za primjer parametre novog energetskog vozila od 50~60kW, parametri su sljedeći: radni napon 330 Vdc, napon valovitosti 10Vrms, struja valovitosti 150Arms@10KHz.

Tada se minimalni električni kapacitet izračunava kao:

Ovo je jednostavno implementirati za dizajn filmskih kondenzatora. Pod pretpostavkom da se koriste elektrolitički kondenzatori, ako se uzme u obzir 20 mA/μF, minimalni kapacitet elektrolitskih kondenzatora izračunava se kako bi se zadovoljili gore navedeni parametri na sljedeći način:

Za postizanje ovog kapaciteta potrebno je više paralelno spojenih elektrolitskih kondenzatora.

U primjenama s prenaponom, kao što su laka željeznica, električni autobusi, podzemna željeznica itd. S obzirom na to da su ove snage spojene na pantograf lokomotive putem pantografa, kontakt između pantografa i pantografa je isprekidan tijekom putovanja. Kada nisu u kontaktu, napajanje podržava DC-L kondenzator s tintom, a kada se kontakt ponovno uspostavi, generira se prenapon. Najgori slučaj je potpuno pražnjenje DC-Link kondenzatora kada je isključen, gdje je napon pražnjenja jednak naponu pantografa, a kada se kontakt ponovno uspostavi, rezultirajući prenapon je gotovo dvostruko veći od nazivnog radnog Un. Za filmske kondenzatore, DC-Link kondenzator se može rukovati bez dodatnog razmatranja. Ako se koriste elektrolitski kondenzatori, prenapon je 1,2 Un. Uzmimo za primjer šangajski metro. Un=1500Vdc, za elektrolitski kondenzator napon koji treba uzeti u obzir je:

Zatim se šest kondenzatora od 450 V spajaju serijski. Ako se koristi dizajn filmskog kondenzatora, lako se postiže napon od 600 V do 2000 V ili čak 3000 V istosmjerne struje. Osim toga, energija u slučaju potpunog pražnjenja kondenzatora stvara kratkospojno pražnjenje između dvije elektrode, stvarajući veliku udarnu struju kroz DC-link kondenzator, koja je obično različita za elektrolitske kondenzatore kako bi se zadovoljili zahtjevi.

Osim toga, u usporedbi s elektrolitičkim kondenzatorima, DC-Link film kondenzatori mogu biti dizajnirani za postizanje vrlo niskog ESR-a (obično ispod 10mΩ, pa čak i niže <1mΩ) i samoinduktiviteta LS (obično ispod 100nH, a u nekim slučajevima ispod 10 ili 20nH). To omogućuje izravnu ugradnju DC-Link film kondenzatora u IGBT modul kada se primijeni, što omogućuje integraciju sabirnice u DC-Link film kondenzator, čime se eliminira potreba za namjenskim IGBT apsorpcijskim kondenzatorom pri korištenju film kondenzatora, štedeći dizajneru značajnu količinu novca. Sl. 2. i 3. prikazuju tehničke specifikacije nekih C3A i C3B proizvoda.

3. Zaključak

U ranim danima, DC-Link kondenzatori su uglavnom bili elektrolitički kondenzatori zbog troškova i veličine.

Međutim, na elektrolitske kondenzatore utječe naponska i strujna izdržljivost (mnogo veći ESR u usporedbi s filmskim kondenzatorima), pa je potrebno spojiti nekoliko elektrolitskih kondenzatora serijski i paralelno kako bi se postigao veliki kapacitet i zadovoljili zahtjevi korištenja visokog napona. Osim toga, s obzirom na isparavanje elektrolita, treba ga redovito mijenjati. Nove energetske primjene općenito zahtijevaju vijek trajanja proizvoda od 15 godina, pa se tijekom tog razdoblja mora zamijeniti 2 do 3 puta. Stoga postoje znatni troškovi i neugodnosti u postprodajnoj usluzi cijelog stroja. Razvojem tehnologije metalizacijskog premaza i tehnologije filmskih kondenzatora, moguće je proizvesti DC filter kondenzatore velikog kapaciteta s naponom od 450 V do 1200 V ili čak i više s ultra tankim OPP filmom (najtanji 2,7 µm, čak 2,4 µm) korištenjem tehnologije isparavanja sigurnosnog filma. S druge strane, integracija DC-Link kondenzatora sa sabirnicom čini dizajn inverterskog modula kompaktnijim i uvelike smanjuje induktivitet lutanja kruga radi optimizacije kruga.