Den här veckan fortsätter vi med förra veckans artikel.

1.2 Elektrolytkondensatorer

Det dielektriska material som används i elektrolytkondensatorer är aluminiumoxid som bildas genom korrosion av aluminium, med en dielektricitetskonstant på 8 till 8,5 och en arbetsdielektrisk hållfasthet på cirka 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Det är dock inte möjligt att uppnå en sådan tjocklek. Tjockleken på aluminiumskiktet minskar kapacitetsfaktorn (specifik kapacitans) hos elektrolytkondensatorer 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 150 Ωcm för lågspänning och 5 kΩcm för högspänning (500 V). Elektrolytens högre resistivitet begränsar den RMS-ström som elektrolytkondensatorn kan motstå, vanligtvis till 20 mA/µF.

Av dessa skäl är elektrolytkondensatorer konstruerade för en maximal spänning på typiskt 450 V (vissa enskilda tillverkare konstruerar för 600 V). För att uppnå högre spänningar är det därför nödvändigt att uppnå dem genom att seriekoppla kondensatorer. På grund av skillnaden i isolationsresistans för varje elektrolytkondensator måste dock ett motstånd anslutas till varje kondensator för att balansera spänningen för varje seriekopplad kondensator. Dessutom är elektrolytkondensatorer polariserade enheter, och när den pålagda backspänningen överstiger 1,5 gånger Un sker en elektrokemisk reaktion. När den pålagda backspänningen är tillräckligt lång kommer kondensatorn att spillas ut. För att undvika detta fenomen bör en diod anslutas bredvid varje kondensator när den används. Dessutom är spänningsstötmotståndet för elektrolytkondensatorer i allmänhet 1,15 gånger Un, och de som är bra kan nå 1,2 gånger Un. Så konstruktörerna bör inte bara beakta den stationära arbetsspänningen utan även stötspänningen när de används. Sammanfattningsvis kan följande jämförelsetabell mellan filmkondensatorer och elektrolytkondensatorer ritas, se Fig. 1.

2. Applikationsanalys

DC-länkkondensatorer som filter kräver konstruktioner med hög ström och hög kapacitet. Ett exempel är huvudmotorns drivsystem i ett nytt energifordon som nämns i figur 3. I denna tillämpning spelar kondensatorn en avkopplingsroll och kretsen har en hög driftsström. Film-DC-länkkondensatorn har fördelen att den kan motstå stora driftsströmmar (Irms). Ta parametrar för ett nytt energifordon på 50~60 kW som exempel, parametrarna är följande: driftspänning 330 Vdc, rippelspänning 10 Vrms, rippelström 150 Arms@10 kHz.

Sedan beräknas den minsta elektriska kapaciteten enligt:

Detta är enkelt att implementera för design av filmkondensatorer. Om man antar att elektrolytkondensatorer används, och 20 mA/μF beaktas, beräknas elektrolytkondensatorernas minsta kapacitans för att uppfylla ovanstående parametrar enligt följande:

Detta kräver flera parallellkopplade elektrolytkondensatorer för att uppnå denna kapacitans.

I överspänningstillämpningar, såsom spårväg, elbuss, tunnelbana etc. Med tanke på att dessa strömförsörjningar är anslutna till lokets strömavtagare 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 överspänning. 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 dubbelt så hög som den nominella driftsspänningen Un. För filmkondensatorer kan DC-Link-kondensatorn hanteras utan ytterligare hänsyn. Om elektrolytkondensatorer används är överspänningen 1,2 Un. Ta Shanghais tunnelbana som exempel. Un = 1500 V likström, för en elektrolytkondensator att beakta är spänningen:

Sedan ska de sex 450V-kondensatorerna seriekopplas. Om filmkondensatorer används kan man enkelt uppnå 600Vdc till 2000Vdc eller till och med 3000Vdc. Dessutom skapar energin vid fullständig urladdning av kondensatorn en kortslutningsurladdning mellan de två elektroderna, vilket genererar en stor startström genom DC-länkkondensatorn, vilket vanligtvis är annorlunda för elektrolytkondensatorer för att uppfylla kraven.

Dessutom kan DC-Link-filmkondensatorer, jämfört med elektrolytkondensatorer, utformas för att uppnå mycket låg ESR (vanligtvis under 10 mΩ, och ännu lägre <1 mΩ) och självinduktans LS (vanligtvis under 100 nH, och i vissa fall under 10 eller 20 nH). 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-absorberkondensator när filmkondensatorer används, vilket sparar konstruktören en betydande summa pengar. Fig. 2 och 3 visar de tekniska specifikationerna för några av C3A- och C3B-produkterna.

3. Slutsats

I början var DC-länkkondensatorer mestadels elektrolytkondensatorer på grund av kostnads- och storleksöverväganden.

Elektrolytkondensatorer påverkas dock av spännings- och strömtålighet (mycket högre ESR jämfört med filmkondensatorer), så det är nödvändigt att ansluta flera elektrolytkondensatorer i serie och parallellt för att uppnå stor kapacitet och uppfylla kraven för högspänningsanvändning. Med tanke på elektrolytmaterialets förångning bör det dessutom bytas ut regelbundet. Nya energiapplikationer kräver generellt en produktlivslängd på 15 år, så det måste bytas ut 2 till 3 gånger under denna period. Därför finns det en avsevärd kostnad och olägenhet för eftermarknadsservicen för hela maskinen. Med utvecklingen av metalliseringsbeläggningsteknik och filmkondensatorteknik har det varit möjligt att producera DC-filterkondensatorer med hög kapacitet med spänning från 450 V till 1200 V eller ännu högre med ultratunn OPP-film (den tunnaste 2,7 µm, till och med 2,4 µm) med hjälp av säkerhetsfilmsförångningsteknik. Å andra sidan gör integrationen av DC-länkkondensatorer med samlingsskenan växelriktarmodulens design mer kompakt och minskar kretsens ströinduktans avsevärt för att optimera kretsen.