Ezen a héten folytatjuk a múlt heti cikkel.

1.2 Elektrolitkondenzátorok

Az elektrolitkondenzátorokban használt dielektrikum az alumínium korróziójával képződő alumínium-oxid, amelynek dielektromos állandója 8-8,5, üzemi dielektromos szilárdsága pedig körülbelül 0,07 V/A (1 µm=10000 A). Ilyen vastagság elérése azonban nem lehetséges. Az alumíniumréteg vastagsága csökkenti az elektrolitkondenzátorok kapacitástényezőjét (fajlagos kapacitását), mivel az alumíniumfóliát maratni kell az alumínium-oxid film kialakításához a jó energiatárolási tulajdonságok elérése érdekében, és a felület sok egyenetlen felületet képez. Másrészt az elektrolit ellenállása alacsony feszültségnél 150 Ωcm, magas feszültségnél (500 V) pedig 5 kΩcm. Az elektrolit nagyobb ellenállása korlátozza az elektrolitkondenzátor által elviselhető RMS áramot, jellemzően 20 mA/µF-ra.

Ezen okok miatt az elektrolitkondenzátorokat jellemzően 450 V maximális feszültségre tervezték (egyes gyártók 600 V-ra terveznek). Ezért a magasabb feszültségek eléréséhez sorba kapcsolt kondenzátorokkal kell elérni azokat. Azonban az egyes elektrolitkondenzátorok szigetelési ellenállásának különbsége miatt minden kondenzátorhoz ellenállást kell csatlakoztatni a sorba kapcsolt kondenzátorok feszültségének kiegyenlítése érdekében. Ezenkívül az elektrolitkondenzátorok polarizált eszközök, és amikor az alkalmazott fordított feszültség meghaladja az Un 1,5-szeresét, elektrokémiai reakció lép fel. Ha az alkalmazott fordított feszültség elég hosszú, a kondenzátor kiesik. Ennek a jelenségnek az elkerülése érdekében minden kondenzátor mellé diódát kell csatlakoztatni, amikor használják. Ezenkívül az elektrolitkondenzátorok túlfeszültség-ellenállása általában Un 1,15-szerese, a jó kondenzátorok pedig elérhetik az Un 1,2-szeresét. Tehát a tervezőknek nemcsak az állandósult üzemi feszültséget, hanem a túlfeszültséget is figyelembe kell venniük használatuk során. Összefoglalva, a következő összehasonlító táblázat rajzolható a filmkondenzátorok és az elektrolitkondenzátorok között, lásd az 1. ábrát.

2. Alkalmazáselemzés

A szűrőként használt DC-Link kondenzátorok nagy áramerősséget és nagy kapacitást igényelnek. Erre példa egy új energiájú jármű fő motorhajtási rendszere, amint az a 3. ábrán látható. Ebben az alkalmazásban a kondenzátor leválasztó szerepet játszik, és az áramkör nagy üzemi árammal rendelkezik. A film DC-Link kondenzátor előnye, hogy képes ellenállni a nagy üzemi áramoknak (Irms). Vegyük például egy 50~60 kW-os új energiájú jármű paramétereit, a paraméterek a következők: üzemi feszültség 330 Vdc, hullámfeszültség 10 Vrms, hullámáram 150 Arms@10 kHz.

Ezután a minimális elektromos kapacitást a következőképpen számítjuk ki:

Ez könnyen megvalósítható filmkondenzátorok tervezésénél. Feltételezve, hogy elektrolitkondenzátorokat használunk, és 20 mA/μF áramerősség mellett az elektrolitkondenzátorok minimális kapacitását a fenti paraméterek teljesítéséhez a következőképpen számítjuk ki:

Ehhez több párhuzamosan kapcsolt elektrolitkondenzátorra van szükség a kapacitás eléréséhez.

Túlfeszültségű alkalmazásokban, mint például a könnyűvasúton, elektromos buszokon, metrón stb., figyelembe véve, hogy ezek az áramellátás az áramszedőn keresztül csatlakozik a mozdony áramszedőjéhez, az áramszedő és az áramszedő közötti érintkezés szakaszos a szállítás során. Amikor a kettő nincs kapcsolatban, az áramellátást a DC-L tintás kondenzátor biztosítja, és amikor az érintkezés helyreáll, túlfeszültség keletkezik. A legrosszabb eset a DC-Link kondenzátor teljes kisülése leválasztáskor, ahol a kisülési feszültség megegyezik az áramszedő feszültségével, és amikor az érintkezés helyreáll, a keletkező túlfeszültség majdnem kétszerese a névleges üzemi Un-nek. Fóliakondenzátorok esetén a DC-Link kondenzátor további mérlegelés nélkül kezelhető. Elektrolitkondenzátorok használata esetén a túlfeszültség 1,2 Un. Vegyük például a sanghaji metrót. Un = 1500 Vdc, az elektrolitkondenzátor feszültsége a következő:

Ezután a hat darab 450 V-os kondenzátort sorba kell kötni. Fóliakondenzátoros kialakítás esetén könnyen elérhető 600 Vdc-től 2000 Vdc-ig, vagy akár 3000 Vdc-ig terjedő feszültség. Ezenkívül a kondenzátor teljes kisütése esetén az energia rövidzárlatot hoz létre a két elektróda között, ami nagy bekapcsolási áramot generál a DC-link kondenzátoron keresztül, ami általában eltérő az elektrolitkondenzátorok esetében a követelmények teljesítése érdekében.

Ezenkívül az elektrolitkondenzátorokkal összehasonlítva a DC-Link filmkondenzátorok úgy tervezhetők, hogy nagyon alacsony ESR-t (jellemzően 10 mΩ alatt, sőt akár <1 mΩ-nál alacsonyabbat) és öninduktivitást (LS) érjenek el (jellemzően 100 nH alatt, és egyes esetekben 10 vagy 20 nH alatt). Ez lehetővé teszi, hogy a DC-Link filmkondenzátort közvetlenül az IGBT modulba szereljék be alkalmazáskor, így a gyűjtősín integrálható a DC-Link filmkondenzátorba, így nincs szükség külön IGBT abszorber kondenzátorra filmkondenzátorok használata esetén, ami jelentős összeget takarít meg a tervezőnek. A 2. és 3. ábra néhány C3A és C3B termék műszaki adatait mutatja.

3. Következtetés

A korai időkben a DC-Link kondenzátorok többnyire elektrolitkondenzátorok voltak a költségek és a méretbeli megfontolások miatt.

Az elektrolitkondenzátorokat azonban befolyásolja a feszültség- és áramtűrés (sokkal magasabb ESR a filmkondenzátorokhoz képest), ezért több elektrolitkondenzátort kell sorba és párhuzamosan kapcsolni a nagy kapacitás elérése és a nagyfeszültségű használat követelményeinek kielégítése érdekében. Ezenkívül, figyelembe véve az elektrolit anyag illékonyságát, azt rendszeresen cserélni kell. Az új energiaalkalmazások általában 15 éves termékélettartamot igényelnek, ezért ebben az időszakban 2-3 alkalommal kell cserélni. Ezért jelentős költségekkel és kellemetlenségekkel jár a teljes gép értékesítés utáni szervizelése. A fémbevonat-technológia és a filmkondenzátor-technológia fejlődésével lehetővé vált nagy kapacitású DC szűrőkondenzátorok gyártása 450V-tól 1200V-ig vagy akár magasabb feszültséggel ultravékony OPP fóliával (a legvékonyabb 2,7µm, akár 2,4µm) biztonsági filmpárologtatási technológia alkalmazásával. Másrészt a DC-Link kondenzátorok integrálása a sínhez kompaktabbá teszi az inverter modul kialakítását, és jelentősen csökkenti az áramkör kóbor induktivitását az áramkör optimalizálása érdekében.