I denne uge fortsætter vi med sidste uges artikel.

1.2 Elektrolytkondensatorer

Det dielektriske materiale, der anvendes i elektrolytkondensatorer, er aluminiumoxid dannet ved korrosion af aluminium, med en dielektricitetskonstant på 8 til 8,5 og en arbejdsdielektrisk styrke på omkring 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Det er dog ikke muligt at opnå en sådan tykkelse. Tykkelsen af ​​aluminiumlaget reducerer kapacitetsfaktoren (specifik kapacitans) for elektrolytkondensatorer, fordi aluminiumsfolien skal ætses for at danne en aluminiumoxidfilm for at opnå gode energilagringsegenskaber, og overfladen vil danne mange ujævne overflader. På den anden side er elektrolyttens modstand 150 Ωcm for lav spænding og 5 kΩcm for høj spænding (500 V). Elektrolyttens højere modstand begrænser den RMS-strøm, som den elektrolyttiske kondensator kan modstå, typisk til 20 mA/µF.

Af disse grunde er elektrolytkondensatorer designet til en maksimal spænding på typisk 450 V (nogle individuelle producenter designer til 600 V). For at opnå højere spændinger er det derfor nødvendigt at opnå dem ved at forbinde kondensatorer i serie. På grund af forskellen i isolationsmodstanden for hver elektrolytkondensator skal der dog tilsluttes en modstand til hver kondensator for at afbalancere spændingen for hver serieforbundet kondensator. Derudover er elektrolytkondensatorer polariserede enheder, og når den påførte omvendte spænding overstiger 1,5 gange Un, forekommer en elektrokemisk reaktion. Når den påførte omvendte spænding er lang nok, vil kondensatoren løbe ud. For at undgå dette fænomen bør der tilsluttes en diode ved siden af ​​hver kondensator, når den bruges. Desuden er spændingsstødmodstanden for elektrolytkondensatorer generelt 1,15 gange Un, og de gode kan nå 1,2 gange Un. Derfor bør designerne ikke kun overveje den stationære driftsspænding, men også stødspændingen, når de anvendes. Sammenfattende kan følgende sammenligningstabel mellem filmkondensatorer og elektrolytkondensatorer tegnes, se figur 1.

2. Applikationsanalyse

DC-link-kondensatorer som filtre kræver design med høj strøm og høj kapacitet. Et eksempel er hovedmotorens drivsystem i et nyt energikøretøj, som nævnt i figur 3. I denne applikation spiller kondensatoren en afkoblingsrolle, og kredsløbet har en høj driftsstrøm. Film-DC-link-kondensatoren har den fordel, at den kan modstå store driftsstrømme (Irms). Tag parametre for et nyt energikøretøj på 50~60 kW som eksempel. Parametrene er som følger: driftsspænding 330 Vdc, ripplespænding 10 Vrms, ripplestrøm 150 Arms@10 KHz.

Derefter beregnes den minimale elektriske kapacitet som:

Dette er nemt at implementere til design af filmkondensatorer. Hvis der anvendes elektrolytkondensatorer, beregnes minimumskapacitansen for elektrolytkondensatorerne, og 20 mA/μF tages i betragtning, for at opfylde ovenstående parametre som følger:

Dette kræver flere parallelforbundne elektrolytkondensatorer for at opnå denne kapacitans.

I overspændingsapplikationer, såsom letbane, elektriske busser, metro osv. Da disse strømforsyninger er forbundet til lokomotivets pantograf gennem pantografen, er kontakten mellem pantografen og pantografen intermitterende under transportkørslen. Når de to ikke er i kontakt, understøttes strømforsyningen af ​​DC-L-blækkondensatoren, og når kontakten genoprettes, genereres der overspænding. Det værste tilfælde er en fuldstændig afladning af DC-Link-kondensatoren, når den frakobles, hvor afladningsspændingen er lig med pantografspændingen, og når kontakten genoprettes, er den resulterende overspænding næsten dobbelt så høj som den nominelle driftsspænding Un. For filmkondensatorer kan DC-Link-kondensatoren håndteres uden yderligere overvejelser. Hvis der anvendes elektrolytkondensatorer, er overspændingen 1,2 Un. Tag Shanghai metro som eksempel. Un = 1500Vdc, for en elektrolytkondensator er spændingen:

Derefter skal de seks 450V kondensatorer serieforbindes. Hvis der anvendes et filmkondensatordesign, kan det nemt opnås 600Vdc til 2000Vdc eller endda 3000Vdc. Derudover danner energien i tilfælde af fuldstændig afladning af kondensatoren en kortslutningsafladning mellem de to elektroder, hvilket genererer en stor indkoblingsstrøm gennem DC-link kondensatoren, hvilket normalt er forskelligt for elektrolytkondensatorer, der opfylder kravene.

Derudover kan DC-Link-filmkondensatorer, sammenlignet med elektrolytkondensatorer, designes til at opnå en meget lav ESR (typisk under 10 mΩ og endda lavere <1 mΩ) og selvinduktans LS (typisk under 100 nH og i nogle tilfælde under 10 eller 20 nH). Dette gør det muligt at installere DC-Link-filmkondensatoren direkte i IGBT-modulet, når den anvendes, hvilket gør det muligt at integrere samleskinnen i DC-Link-filmkondensatoren. Dette eliminerer behovet for en dedikeret IGBT-absorberkondensator, når der anvendes filmkondensatorer, hvilket sparer designeren en betydelig sum penge. Fig. 2 og 3 viser de tekniske specifikationer for nogle af C3A- og C3B-produkterne.

3. Konklusion

I de tidlige dage var DC-link-kondensatorer for det meste elektrolytiske kondensatorer på grund af pris- og størrelseshensyn.

Elektrolytkondensatorer påvirkes dog af spændings- og strømstyrkemodstandsevne (meget højere ESR sammenlignet med filmkondensatorer), så det er nødvendigt at forbinde flere elektrolytkondensatorer i serie og parallelt for at opnå stor kapacitet og opfylde kravene til højspændingsbrug. Derudover bør elektrolytmaterialet, i betragtning af fordampningen, udskiftes regelmæssigt. Nye energiapplikationer kræver generelt en levetid på 15 år, så det skal udskiftes 2 til 3 gange i denne periode. Derfor er der betydelige omkostninger og ulemper ved eftersalgsservicen af ​​hele maskinen. Med udviklingen af ​​metalliseringsbelægningsteknologi og filmkondensatorteknologi har det været muligt at producere DC-filterkondensatorer med høj kapacitet med spændinger fra 450V til 1200V eller endnu højere med ultratynd OPP-film (den tyndeste 2,7 µm, endda 2,4 µm) ved hjælp af sikkerhedsfilmfordampningsteknologi. På den anden side gør integrationen af ​​DC-Link-kondensatorer med samleskinnen invertermodulets design mere kompakt og reducerer kredsløbets spredte induktans betydeligt for at optimere kredsløbet.