Den här veckan fortsätter vi med förra veckans artikel.

1.2 Elektrolytiska kondensatorer

Dielektrikumet som används i elektrolytiska kondensatorer är aluminiumoxid bildad genom korrosion av aluminium, med en dielektricitetskonstant på 8 till 8,5 och en arbetsdielektrisk styrka på cirka 0,07V/A (1µm=10000A).Det är dock inte möjligt att uppnå en sådan tjocklek.Tjockleken på aluminiumskiktet minskar kapacitetsfaktorn (specifik kapacitans) hos elektrolytiska kondensatorer eftersom aluminiumfolien måste etsas för att bilda en aluminiumoxidfilm för att erhålla goda energilagringsegenskaper, och ytan kommer att bilda många ojämna ytor.Å andra sidan är elektrolytens resistivitet 150Ωcm för lågspänning och 5kΩcm för högspänning (500V).Den högre resistiviteten hos elektrolyten begränsar RMS-strömmen som elektrolytkondensatorn kan motstå, vanligtvis till 20mA/µF.

Av dessa skäl är elektrolytiska kondensatorer konstruerade för en maximal spänning på 450V typiskt (vissa enskilda tillverkare designar för 600V).Därför är det nödvändigt att uppnå högre spänningar genom att ansluta kondensatorer i serie.Men på grund av skillnaden i isolationsresistans för varje elektrolytisk kondensator, måste ett motstånd anslutas till varje kondensator för att balansera spänningen för varje seriekopplad kondensator.Dessutom är elektrolytiska kondensatorer polariserade enheter, och när den applicerade backspänningen överstiger 1,5 gånger Un uppstår en elektrokemisk reaktion.När den pålagda backspänningen är tillräckligt lång kommer kondensatorn att spilla ut.För att undvika detta fenomen bör en diod anslutas bredvid varje kondensator när den används.Dessutom är spänningsöverspänningsmotståndet hos elektrolytiska kondensatorer i allmänhet 1,15 gånger Un, och de goda kan nå 1,2 gånger Un.Så konstruktörerna bör överväga inte bara den stationära arbetsspänningen utan också överspänningen när de använder dem.Sammanfattningsvis kan följande jämförelsetabell mellan filmkondensatorer och elektrolytkondensatorer ritas, se Fig.1.

2. Tillämpningsanalys

DC-Link kondensatorer som filter kräver design med hög ström och hög kapacitet.Ett exempel är huvudmotordrivsystemet för ett nytt energifordon som nämns i Fig.3.I denna applikation spelar kondensatorn en avkopplingsroll och kretsen har en hög driftström.Filmens DC-Link-kondensator har fördelen att klara stora driftsströmmar (Irms).Ta 50~60kW nya energifordonsparametrar som ett exempel, parametrarna är följande: driftspänning 330 Vdc, rippelspänning 10Vrms, rippelström 150Arms@10KHz.

Sedan beräknas den minsta elektriska kapaciteten som:

Detta är lätt att implementera för filmkondensatordesign.Om man antar att elektrolytiska kondensatorer används, om 20mA/μF beaktas, beräknas minimikapacitansen för elektrolytkondensatorerna för att uppfylla ovanstående parametrar enligt följande:

Detta kräver flera elektrolytiska kondensatorer parallellkopplade för att erhålla denna kapacitans.

I överspänningstillämpningar, såsom spårväg, elbuss, tunnelbana, etc. Med tanke på att dessa krafter är anslutna till lokströmavtagaren via strömavtagaren, är kontakten mellan strömavtagaren och strömavtagaren intermittent under transporten.När de två inte är i kontakt stöds strömförsörjningen av DC-L-bläckkondensatorn, och när kontakten återställs genereras överspänningen.Det värsta fallet är en fullständig urladdning av DC-Link-kondensatorn när den är frånkopplad, där urladdningsspänningen är lika med strömavtagarens spänning, och när kontakten återställs är den resulterande överspänningen nästan två gånger den nominella drift-Un.För filmkondensatorer kan DC-Link-kondensatorn hanteras utan extra hänsyn.Om elektrolytiska kondensatorer används är överspänningen 1,2Un.Ta Shanghais tunnelbana som ett exempel.Un=1500Vdc, för elektrolytisk kondensator att beakta spänningen är:

Sedan ska de sex 450V kondensatorerna seriekopplas.Om filmkondensatordesign används i 600Vdc till 2000Vdc eller till och med 3000Vdc uppnås lätt.Dessutom bildar energin vid helt urladdning av kondensatorn en kortslutningsurladdning mellan de två elektroderna, vilket genererar en stor inkopplingsström genom DC-Link-kondensatorn, vilket vanligtvis är annorlunda för elektrolytkondensatorer för att uppfylla kraven.

Jämfört med elektrolytkondensatorer kan DC-Link-filmkondensatorer dessutom utformas för att uppnå mycket låg ESR (typiskt under 10mΩ, och ännu lägre <1mΩ) och självinduktans LS (vanligtvis under 100nH, och i vissa fall under 10 eller 20nH) .Detta gör att DC-Link-filmkondensatorn kan installeras direkt i IGBT-modulen när den används, vilket gör att samlingsskenan kan integreras i DC-Link-filmkondensatorn, vilket eliminerar behovet av en dedikerad IGBT-absorberande kondensator när du använder filmkondensatorer, vilket sparar designern en betydande summa pengar.Fig.2.och 3 visar de tekniska specifikationerna för några av C3A- och C3B-produkterna.

3. Slutsats

I de tidiga dagarna var DC-Link-kondensatorer mestadels elektrolytiska kondensatorer på grund av kostnads- och storleksöverväganden.

Elektrolytiska kondensatorer påverkas dock av spännings- och strömtålighetsförmåga (mycket högre ESR jämfört med filmkondensatorer), så det är nödvändigt att ansluta flera elektrolytiska kondensatorer i serie och parallellt för att få stor kapacitet och uppfylla kraven för högspänningsanvändning.Med tanke på förångningen av elektrolytmaterial bör det dessutom bytas ut regelbundet.Nya energitillämpningar kräver i allmänhet en produktlivslängd på 15 år, så den måste bytas ut 2 till 3 gånger under denna period.Därför finns det en avsevärd kostnad och besvär i eftermarknadsservicen för hela maskinen.Med utvecklingen av metalliseringsbeläggningsteknik och filmkondensatorteknologi har det varit möjligt att producera DC-filterkondensatorer med hög kapacitet med spänningar från 450V till 1200V eller ännu högre med ultratunn OPP-film (den tunnaste 2,7 µm, till och med 2,4 µm) med hjälp av teknik för förångning av säkerhetsfilm.Å andra sidan gör integrationen av DC-Link-kondensatorer med samlingsskenan växelriktarmoduldesignen mer kompakt och reducerar avsevärt kretsens ströinduktans för att optimera kretsen.