Цього тижня ми продовжуємо статтю минулого тижня.

1.2 Електролітичні конденсатори

Діелектриком, що використовується в електролітичних конденсаторах, є оксид алюмінію, утворений внаслідок корозії алюмінію, з діелектричною проникністю від 8 до 8,5 та робочою діелектричною міцністю близько 0,07 В/А (1 мкм = 10000 А). Однак досягти такої товщини неможливо. Товщина алюмінієвого шару знижує коефіцієнт ємності (питому ємність) електролітичних конденсаторів, оскільки алюмінієву фольгу необхідно протравлювати для утворення плівки оксиду алюмінію для отримання хороших характеристик накопичення енергії, а поверхня утворюватиме багато нерівних поверхонь. З іншого боку, питомий опір електроліту становить 150 Ом/см для низької напруги та 5 кОм/см для високої напруги (500 В). Вищий питомий опір електроліту обмежує середньоквадратичне значення струму, яке може витримувати електролітичний конденсатор, зазвичай до 20 мА/мкФ.

З цих причин електролітичні конденсатори розраховані на максимальну напругу, що зазвичай становить 450 В (деякі окремі виробники розраховують на 600 В). Тому, щоб отримати вищі напруги, необхідно досягти їх шляхом послідовного з'єднання конденсаторів. Однак, через різницю в опорі ізоляції кожного електролітичного конденсатора, до кожного конденсатора необхідно підключити резистор, щоб збалансувати напругу кожного послідовно з'єднаного конденсатора. Крім того, електролітичні конденсатори є поляризованими пристроями, і коли прикладена зворотна напруга перевищує 1,5 Un, відбувається електрохімічна реакція. Коли прикладена зворотна напруга достатньо тривала, конденсатор розливається. Щоб уникнути цього явища, поруч із кожним конденсатором під час його використання слід підключити діод. Крім того, опір перенапрузі електролітичних конденсаторів зазвичай становить 1,15 Un, а хороші конденсатори можуть досягати 1,2 Un. Тому розробники повинні враховувати не лише робочу напругу в стаціонарному режимі, але й перенапругу під час їх використання. Підсумовуючи, можна скласти наступну таблицю порівняння плівкових та електролітичних конденсаторів, див. рис. 1.

2. Аналіз застосування

Конденсатори постійного струму як фільтри вимагають конструкцій з високим струмом та високою ємністю. Прикладом є головна система приводу двигуна транспортного засобу на новому джерелі енергії, як зазначено на рис. 3. У цьому застосуванні конденсатор відіграє розв'язувальну роль, і схема має високий робочий струм. Плівковий конденсатор постійного струму має перевагу в тому, що він може витримувати великі робочі струми (Irms). Візьмемо для прикладу параметри транспортного засобу на новому джерелі енергії потужністю 50~60 кВт, вони такі: робоча напруга 330 В постійного струму, напруга пульсацій 10 В середньоквадратичне значення, струм пульсацій 150 Амперметрів при 10 кГц.

Тоді мінімальна електрична потужність розраховується так:

Це легко реалізувати для конструкції плівкових конденсаторів. Припускаючи, що використовуються електролітичні конденсатори, якщо враховувати 20 мА/мкФ, мінімальна ємність електролітичних конденсаторів розраховується для задоволення вищезазначених параметрів наступним чином:

Для отримання такої ємності потрібно кілька електролітичних конденсаторів, з'єднаних паралельно.

У системах, що працюють в умовах перенапруги, таких як легковий транспорт, електричний автобус, метро тощо. Враховуючи, що ці джерела живлення підключені до пантографа локомотива через пантограф, контакт між пантографом і пантографом є ​​переривчастим під час руху транспорту. Коли вони не контактують, джерело живлення підтримується чорнильним конденсатором DC-L, і коли контакт відновлюється, виникає перенапруга. Найгіршим випадком є ​​повний розряд конденсатора DC-Link при відключенні, коли напруга розряду дорівнює напрузі пантографа, а коли контакт відновлюється, результуюча перенапруга майже вдвічі перевищує номінальну робочу Un. Для плівкових конденсаторів конденсатор DC-Link можна використовувати без додаткового врахування. Якщо використовуються електролітичні конденсатори, перенапруга становить 1,2 Un. Візьмемо, наприклад, метро Шанхаю. Un=1500 В постійного струму, для електролітичного конденсатора враховується напруга:

Потім шість конденсаторів на 450 В слід з'єднати послідовно. Якщо використовується плівковий конденсатор, легко досягти напруги від 600 В постійного струму до 2000 В або навіть 3000 В постійного струму. Крім того, енергія у разі повного розряду конденсатора утворює коротке замикання між двома електродами, генеруючи великий пусковий струм через конденсатор постійного струму, який зазвичай відрізняється для електролітичних конденсаторів, щоб відповідати вимогам.

Крім того, порівняно з електролітичними конденсаторами, плівкові конденсатори DC-Link можуть бути розроблені для досягнення дуже низького ESR (зазвичай нижче 10 мОм, і навіть нижче <1 мОм) та власної індукції LS (зазвичай нижче 100 нГн, а в деяких випадках нижче 10 або 20 нГн). Це дозволяє встановлювати плівковий конденсатор DC-Link безпосередньо в модуль IGBT після його застосування, що дозволяє інтегрувати шину в плівковий конденсатор DC-Link, тим самим усуваючи необхідність у спеціальному поглинальному конденсаторі IGBT при використанні плівкових конденсаторів, заощаджуючи розробнику значну суму коштів. На рис. 2 та 3 показано технічні характеристики деяких продуктів C3A та C3B.

3. Висновок

На початку конденсатори постійного струму були переважно електролітичними через вартість та розмір.

Однак на електролітичні конденсатори впливає стійкість до напруги та струму (значно вищий ESR порівняно з плівковими конденсаторами), тому необхідно з'єднувати кілька електролітичних конденсаторів послідовно та паралельно, щоб отримати велику ємність та відповідати вимогам використання високої напруги. Крім того, враховуючи випаровування електроліту, його слід регулярно замінювати. Нові енергетичні застосування зазвичай вимагають терміну служби виробу 15 років, тому його необхідно замінювати 2-3 рази протягом цього періоду. Таким чином, існують значні витрати та незручності в післяпродажному обслуговуванні всієї машини. З розвитком технології металізаційного покриття та технології плівкових конденсаторів стало можливим виробляти високоємні фільтруючі конденсатори постійного струму з напругою від 450 В до 1200 В або навіть вище з надтонкою плівкою OPP (найтонша 2,7 мкм, навіть 2,4 мкм) за допомогою технології випаровування захисної плівки. З іншого боку, інтеграція конденсаторів DC-Link з шиною робить конструкцію модуля інвертора більш компактною та значно зменшує розсіювальну індуктивність кола для оптимізації схеми.