Ove sedmice nastavljamo s člankom od prošle sedmice.

1.2 Elektrolitički kondenzatori

Dielektrik koji se koristi u elektrolitskim kondenzatorima je aluminijum oksid nastao korozijom aluminija, s dielektričnom konstantom od 8 do 8,5 i radnom dielektričnom čvrstoćom od oko 0,07V/A (1µm=10000A). Međutim, nije moguće postići takvu debljinu. Debljina aluminijumskog sloja smanjuje faktor kapaciteta (specifični kapacitet) elektrolitskih kondenzatora jer aluminijumska folija mora biti nagrizena da bi se formirao film aluminijum oksida radi postizanja dobrih karakteristika skladištenja energije, a površina će formirati mnogo neravnih površina. S druge strane, otpornost elektrolita je 150Ωcm za niski napon i 5kΩcm za visoki napon (500V). Veća otpornost elektrolita ograničava RMS struju koju elektrolitski kondenzator može podnijeti, obično na 20mA/µF.

Iz ovih razloga, elektrolitički kondenzatori su dizajnirani za maksimalni napon od tipično 450 V (neki pojedinačni proizvođači dizajniraju za 600 V). Stoga, da bi se postigli veći naponi, potrebno ih je postići spajanjem kondenzatora u seriju. Međutim, zbog razlike u izolacijskom otporu svakog elektrolitskog kondenzatora, otpornik mora biti spojen na svaki kondenzator kako bi se uravnotežio napon svakog serijski spojenog kondenzatora. Osim toga, elektrolitički kondenzatori su polarizirani uređaji i kada primijenjeni obrnuti napon premaši 1,5 puta Un, dolazi do elektrohemijske reakcije. Kada je primijenjeni obrnuti napon dovoljno dug, kondenzator će se preliti. Da bi se izbjegao ovaj fenomen, dioda treba biti spojena pored svakog kondenzatora kada se koristi. Osim toga, otpornost elektrolitskih kondenzatora na prenaponski udar je uglavnom 1,15 puta Un, a dobri mogu doseći 1,2 puta Un. Dakle, dizajneri bi trebali uzeti u obzir ne samo radni napon u stacionarnom stanju, već i prenaponski udar prilikom njihove upotrebe. Ukratko, može se nacrtati sljedeća tabela za poređenje filmskih i elektrolitskih kondenzatora, vidi Sl. 1.

2. Analiza aplikacije

DC-Link kondenzatori kao filteri zahtijevaju dizajne za visoku struju i veliki kapacitet. Primjer je glavni pogonski sistem motora novog energetskog vozila kao što je prikazano na Sl. 3. U ovoj primjeni kondenzator igra ulogu razdvajanja, a kolo ima visoku radnu struju. Filmski DC-Link kondenzator ima prednost što može izdržati velike radne struje (Irms). Uzmimo za primjer parametre novog energetskog vozila od 50~60kW, parametri su sljedeći: radni napon 330 Vdc, napon valovitosti 10Vrms, struja valovitosti 150Arms@10KHz.

Tada se minimalni električni kapacitet izračunava kao:

Ovo je lako implementirati za dizajn filmskih kondenzatora. Pod pretpostavkom da se koriste elektrolitički kondenzatori, ako se uzme u obzir 20mA/μF, minimalni kapacitet elektrolitskih kondenzatora se izračunava kako bi se zadovoljili gore navedeni parametri na sljedeći način:

Da bi se dobio ovaj kapacitet, potrebno je spojiti više elektrolitskih kondenzatora paralelno.

U primjenama s prenaponom, kao što su laka željeznica, električni autobusi, podzemna željeznica itd. S obzirom na to da su ove snage povezane s pantografom lokomotive putem pantografa, kontakt između pantografa i pantografa je povremen tokom transportnog putovanja. Kada nisu u kontaktu, napajanje podržava DC-L kondenzator s mastilom, a kada se kontakt ponovo uspostavi, generira se prenapon. Najgori slučaj je potpuno pražnjenje DC-Link kondenzatora kada je isključen, gdje je napon pražnjenja jednak naponu pantografa, a kada se kontakt ponovo uspostavi, rezultirajući prenapon je gotovo dvostruko veći od nazivnog radnog Un. Za filmske kondenzatore, DC-Link kondenzator se može rukovati bez dodatnog razmatranja. Ako se koriste elektrolitski kondenzatori, prenapon je 1,2 Un. Uzmimo za primjer metro u Šangaju. Un=1500Vdc, za elektrolitski kondenzator napon koji treba uzeti u obzir je:

Zatim se šest kondenzatora od 450 V treba spojiti serijski. Ako se koristi dizajn filmskog kondenzatora, lako se postiže napon od 600 V jednosmjerne struje do 2000 V jednosmjerne struje ili čak 3000 V jednosmjerne struje. Osim toga, energija u slučaju potpunog pražnjenja kondenzatora formira kratkospojno pražnjenje između dvije elektrode, generirajući veliku udarnu struju kroz DC-Link kondenzator, koja je obično različita za elektrolitske kondenzatore kako bi se zadovoljili zahtjevi.

Pored toga, u poređenju sa elektrolitičkim kondenzatorima, DC-Link film kondenzatori mogu biti dizajnirani da postignu vrlo nizak ESR (obično ispod 10mΩ, pa čak i niže <1mΩ) i samoinduktivnost LS (obično ispod 100nH, a u nekim slučajevima ispod 10 ili 20nH). Ovo omogućava da se DC-Link film kondenzator instalira direktno u IGBT modul kada se primijeni, što omogućava integraciju sabirnice u DC-Link film kondenzator, čime se eliminiše potreba za namjenskim IGBT apsorpcijskim kondenzatorom pri korištenju film kondenzatora, štedeći dizajneru značajnu količinu novca. Sl. 2 i 3 prikazuju tehničke specifikacije nekih C3A i C3B proizvoda.

3. Zaključak

U ranim danima, DC-Link kondenzatori su uglavnom bili elektrolitički kondenzatori zbog troškova i veličine.

Međutim, na elektrolitske kondenzatore utiče izdržljivost napona i struje (mnogo veći ESR u poređenju sa film kondenzatorima), tako da je potrebno spojiti nekoliko elektrolitskih kondenzatora serijski i paralelno kako bi se dobio veliki kapacitet i ispunili zahtjevi korištenja visokog napona. Pored toga, uzimajući u obzir isparavanje elektrolita, treba ga redovno mijenjati. Nove energetske primjene uglavnom zahtijevaju vijek trajanja proizvoda od 15 godina, tako da se mora zamijeniti 2 do 3 puta tokom ovog perioda. Stoga postoje značajni troškovi i neugodnosti u postprodajnoj usluzi cijele mašine. Razvojem tehnologije metalizacijskog premaza i tehnologije film kondenzatora, postalo je moguće proizvesti DC filter kondenzatore visokog kapaciteta sa naponom od 450V do 1200V ili čak i više sa ultra tankim OPP filmom (najtanji 2,7µm, čak 2,4µm) koristeći tehnologiju isparavanja sigurnosnog filma. S druge strane, integracija DC-Link kondenzatora sa sabirnicom čini dizajn inverterskog modula kompaktnijim i značajno smanjuje induktivitet lutanja kola radi optimizacije kola.