Koleksi pelbagai jenis kapasitor tidak banyak berubah sejak beberapa tahun kebelakangan ini, tetapi aplikasi sudah tentu ada. Dalam artikel ini, kita melihat bagaimana kapasitor digunakan dalam elektronik kuasa dan membandingkan teknologi yang ada. Kapasitor filem sedang menunjukkan kelebihan mereka dalam aplikasi yang akan datang seperti kenderaan elektrik , penukaran kuasa tenaga alter- asli, dan penyongsang dalam pemacu . Walau bagaimanapun, elektrolitik aluminium (Al) masih penting apabila ketumpatan penyimpanan tenaga adalah keperluan utama.
Al Electrolitic atau Film Capacitor ?
Ia adalah mudah untuk menolak Al elektrolitik sebagai teknologi semalam, tetapi pembezaan dalam prestasi antara mereka dan alternatif filem tidak selalu begitu jelas. Dari segi ketumpatan tenaga tersimpan, iaitu, joule/sentimeter padu, ia masih mendahului kapasitor filem standard, walaupun varian eksotik seperti kristal tinggi yang tersegmen. polipropilena logam adalah setanding. Juga, elektrolitik Al mengekalkan penarafan arus riak mereka pada suhu yang lebih tinggi lebih baik daripada kapasitor filem bersaing. Malah isu hayat dan kebolehpercayaan yang dirasakan tidak begitu ketara apabila elektrolitik Al dikurangkan dengan sewajarnya. Al electrolytics masih sangat menarik di mana tunggangan voltan bas dc apabila bekalan elektrik terputus diperlukan tanpa sandaran bateri. Sebagai contoh, apabila kos adalah faktor pemacu, adalah amat sukar untuk menjangkakan kapasitor filem mengambil alih daripada kapasitor pukal dalam bekalan kuasa luar talian komoditi.
Filem Menang dalam Pelbagai Cara
Kapasitor filem mempunyai beberapa kelebihan ketara berbanding kapasitor lain: penarafan rintangan siri setara (ESR) boleh menjadi lebih rendah secara mendadak, membawa kepada pengendalian arus riak yang lebih baik. Penarafan voltan lonjakan juga lebih tinggi, dan, mungkin yang paling ketara, kapasitor filem boleh sembuh sendiri
GAMBAR 1 Ciri-ciri filem kapasitor.
GAMBAR 2 Variasi DF dengan suhu untuk filem polipropilena.
Selepas tekanan, membawa kepada kebolehpercayaan sistem yang lebih baik dan seumur hidup. Walau bagaimanapun, keupayaan untuk menyembuhkan diri bergantung pada tahap tekanan, nilai puncak, dan kadar pengulangan. Selain itu, kegagalan bencana akhirnya masih mungkin disebabkan oleh pemendapan karbon dan kerosakan cagaran daripada arka plasma yang dijana semasa pembersihan kerosakan. Ciri-ciri ini sepadan dengan aplikasi moden penukaran kuasa dalam kenderaan elektrik dan sistem tenaga alternatif di mana tiada penahanan diperlukan dengan gangguan atau antara puncak riak frekuensi talian. Keperluan utama ialah keupayaan untuk menyumber dan menenggelamkan arus riak frekuensi tinggi yang mungkin mencapai ratusan jika tidak beribu-ribu amp sambil mengekalkan kerugian yang boleh diterima dan kebolehpercayaan yang tinggi. Terdapat juga pergerakan ke voltan bas yang lebih tinggi untuk mengurangkan kehilangan ohmik pada tahap kuasa tertentu. Ini bermakna sambungan siri elektrolitik Al dengan penarafan voltan maksimum yang wujud kira-kira 550 V. Untuk mengelakkan ketidakseimbangan voltan, mungkin perlu memilih kapasitor mahal dengan nilai yang sepadan dan menggunakan perintang pengimbang voltan dengan kerugian dan kos yang berkaitan.
Isu kebolehpercayaan tidak mudah, walaupun, dalam keadaan terkawal, elektrolitik adalah setanding dengan filem kuasa, bermakna ia biasanya akan menahan hanya 20% daripada lebihan voltan sebelum kerosakan berlaku. Sebaliknya, kapasitor filem boleh menahan mungkin 100% lebihan voltan untuk tempoh terhad. Apabila gagal, elektrolitik boleh membuat litar pintas dan meletup, menurunkan keseluruhan komponen siri/selari dengan nyahcas elektrolit yang berbahaya. Kapasitor filem juga boleh sembuh sendiri, tetapi kebolehpercayaan sistem di bawah keadaan tulen tekanan sekali-sekala boleh menjadi sangat berbeza antara kedua-dua jenis. Seperti semua komponen, tahap kelembapan yang tinggi boleh merendahkan prestasi kapasitor filem, dan, untuk kebolehpercayaan terbaik, ini harus dikawal dengan baik. Satu lagi pembeza praktikal ialah kemudahan memasang kapasitor filem—ia boleh didapati dalam penutup kotak segi empat tepat yang berpenebat dan cekap isipadu dengan pelbagai pilihan sambungan elektrik, daripada terminal skru kepada lug, pengikat dan bar bas, berbanding dengan tin logam bulat biasa elektrolitik. Filem dielektrik nonpolar memberikan pelekap kalis terbalik dan membenarkan penggunaan dalam aplikasi di mana ac digunakan, seperti dalam penapisan output penyongsang.
Sudah tentu, terdapat banyak jenis dielektrik kapasitor filem yang tersedia, dan Rajah 1 memberikan ringkasan prestasi perbandingannya [1]. Filem polipropilena adalah pemenang keseluruhan apabila kerugian dan kebolehpercayaan di bawah tekanan adalah pertimbangan utama kerana DF yang rendah dan pecahan dielektrik yang tinggi bagi setiap ketebalan unit. Filem lain boleh menjadi lebih baik untuk penarafan suhu dan kapasitans/isipadu, dengan pemalar dielektrik yang lebih tinggi dan ketersediaan filem nipis, dan, pada voltan rendah, poliester masih digunakan secara biasa. DF amat penting dan ditakrifkan sebagai ESR/reaktans kapasitif, dan ia biasanya ditentukan pada 1 kHz dan 25 °C. DF yang rendah berbanding dengan dielektrik lain membayangkan pemanasan yang lebih rendah dan merupakan satu cara untuk membandingkan kerugian setiap mikrofarad. DF sedikit berbeza dengan kekerapan dan suhu, tetapi polipropilena berprestasi terbaik. Rajah 2 dan 3 menunjukkan plot biasa.
Terdapat dua jenis utama pembinaan kapasitor filem yang menggunakan kerajang dan pengetaman termendap, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Kerajang logam yang setebal kira-kira 5-nm biasanya digunakan antara lapisan dielektrik untuk keupayaan arus puncak yang tinggi, tetapi ia tidak sendiri. -sembuh selepas menahan tekanan. Filem berlogam dibentuk oleh vakum dan dengan biasanya mendepositkan Al pada 1,200 °C ke atas filem pada ketebalan kira-kira 20–50 nm dengan suhu filem antara -25 hingga -35 °C,
GAMBAR 3 Variasi DF dengan kekerapan untuk filem polipropilena.
GAMBAR 4 Pembinaan kapasitor filem
walaupun aloi zink (Zn) dan Al-Zn juga boleh digunakan. Proses ini membolehkan penyembuhan diri, di mana kerosakan pada mana-mana titik di seluruh dielektrik menyebabkan pemanasan sengit setempat, mungkin sehingga 6,000 °C, menyebabkan plasma terbentuk. Pengetatan di sekitar saluran pecahan diwap, dengan pengembangan pesat plasma memadamkan nyahcas, yang mengasingkan kecacatan dan meninggalkan kapasitor berfungsi sepenuhnya. Pengurangan kapasitansi adalah minimum tetapi aditif dari semasa ke semasa, menjadikannya penunjuk berguna untuk penuaan komponen.
Kaedah biasa untuk meningkatkan kebolehpercayaan selanjutnya adalah dengan membahagikan pengetatan pada filem ke dalam kawasan, mungkin berjuta-juta, dengan pintu sempit menyalurkan arus ke dalam segmen dan bertindak sebagai fius untuk beban berlebihan kasar. Penyempitan jumlah laluan arus ke pengetatan memang mengurangkan pengendalian arus puncak komponen, tetapi margin keselamatan tambahan yang diperkenalkan membolehkan kapasitor dinilai berguna pada voltan yang lebih tinggi.
Polipropilena moden mempunyai kekuatan dielektrik kira-kira 650 V/µm dan boleh didapati dalam ketebalan kira-kira 1.9 µm dan ke atas, jadi penarafan voltan kapasitor sehingga beberapa kilovolt boleh dicapai secara rutin, dengan beberapa bahagian malah dinilai pada 100 kV. Walau bagaimanapun, pada voltan yang lebih tinggi, fenomena nyahcas separa (PD), juga dikenali sebagai nyahcas korona, menjadi faktor. PD ialah pecahan voltan tinggi mikrovoid dalam sebahagian besar bahan atau dalam celah udara antara lapisan bahan, menyebabkan litar pintas separa daripada jumlah laluan penebat. PD (corona discharge) meninggalkan kesan karbon yang sedikit; kesan awal tidak dapat dilihat tetapi boleh terkumpul dari semasa ke semasa sehingga pecahan kasar dan tiba-tiba bagi penebat jejak karbon yang lemah berlaku. Kesannya diterangkan oleh lengkung Paschen, ditunjukkan dalam Rajah 5, dan mempunyai ciri permulaan dan voltan kepupusan. Rajah menunjukkan dua contoh kekuatan medan. Titik di atas lengkung Paschen, A, berkemungkinan menghasilkan pecahan PD.
GAMBAR 5 Keluk Paschen dan contoh kekuatan medan elektrik.
Untuk mengatasi kesannya, kapasitor berkadar voltan sangat tinggi diresapi minyak untuk mengecualikan udara daripada antara muka lapisan. Jenis voltan rendah cenderung diisi resin, yang juga membantu dengan keteguhan mekanikal. Penyelesaian lain ialah membentuk kapasitor bersiri dalam perumah tunggal, dengan berkesan mengurangkan penurunan voltan pada setiap satu hingga jauh di bawah voltan permulaan. PD adalah kesan akibat keamatan medan elektrik, jadi meningkatkan ketebalan dielektrik untuk mengurangkan kecerunan voltan sentiasa mungkin tetapi meningkatkan saiz keseluruhan kapasitor. Terdapat reka bentuk kapasitor yang menggabungkan foil dan metalisasi untuk memberikan kompromi antara keupayaan arus puncak dan penyembuhan diri. Metalisasi juga boleh digredkan dari tepi kapasitor supaya bahan yang lebih tebal di tepi memberikan pengendalian arus yang lebih baik dan penamatan yang lebih teguh dengan pematerian atau kimpalan, dan penggredan boleh berterusan atau berperingkat.
Ia, mungkin, berguna untuk mengambil langkah ke belakang dan memerhatikan bagaimana menggunakan kapasitor Al-elektrolitik adalah berfaedah. Satu contoh adalah dalam penukar luar talian 90% cekap, 1-kW dengan hujung hadapan yang diperbetulkan faktor kuasa, memerlukan tunggangan 20-ms, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6. Ia biasanya mempunyai bas dc dalaman dengan voltan nominal, Vn, sebanyak 400 V dan voltan keluar, Vd, sebanyak 300 V, di bawahnya peraturan keluaran hilang.
Kapasitor pukal C1 membekalkan tenaga untuk mengekalkan kuasa keluaran yang berterusan semasa masa tunggang yang ditentukan apabila voltan bas turun daripada 400 kepada 300 V selepas terputus. Secara matematik, Po t/j =1/2 C(Vn²-Vd²) atau C=2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) =634nF pada penarafan 450 V.
Jika Kapasitor al-elektrolitik digunakan, maka persamaan menghasilkan isipadu yang diperlukan kira-kira 52 cm3 (iaitu, 3 dalam 3 ), contohnya, jika TDK-EPCOS Siri B43508 digunakan. Sebaliknya, kapasitor filem akan menjadi besar secara tidak praktikal, mungkin memerlukan 15 selari pada jumlah isipadu 1,500 cm3 (iaitu, 91 dalam 3 ) jika siri TDK-EPCOS B32678 digunakan. Perbezaannya jelas, tetapi pilihan akan berubah jika kapasitor perlu mengawal voltan riak pada garis dc. Ambil contoh yang sama di mana voltan bas 400-V adalah daripada bateri, jadi penahanan tidak diperlukan. Walau bagaimanapun, terdapat keperluan untuk mengurangkan kesan riak kepada, cth., 4 V punca min kuasa dua (rms) daripada 80 A rms denyutan arus frekuensi tinggi yang diambil oleh penukar hiliran pada 20 kHz. Ini boleh menjadi aplikasi kenderaan elektrik, dan kapasitansi yang diperlukan boleh dianggarkan daripada C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF pada penarafan 450 V.
GAMBAR 6 Kapasitor untuk perjalanan melalui (tahan ke atas). HVDC: dc voltan tinggi.
Elektrolitik pada 180 µF, 450 V mungkin mempunyai penarafan arus riak hanya kira-kira 3.5 A rms pada 60 °C, termasuk pembetulan frekuensi (siri EPCOS B43508). Oleh itu, untuk 80 A, 23 kapasitor diperlukan secara selari, menghasilkan 4,140 µF yang tidak diperlukan dengan jumlah isipadu 1,200 cm3 (iaitu 73 dalam 3 ). Ini mematuhi penilaian arus riak 20 mA/µF yang kadangkala dipetik untuk elektrolitik. Jika kapasitor filem dipertimbangkan, kini, hanya empat selari daripada EPCOS B32678 siri memberikan penarafan arus riak 132-A rms dalam volum 402 cm3 (iaitu, 24.5 dalam 3 ). Jika suhu terhad kepada, cth., ambien kurang daripada 70 °C, maka saiz kes yang lebih kecil masih boleh dipilih. Walaupun kita memilih elektrolitik atas alasan lain, lebihan kapasiti boleh menyebabkan masalah lain, seperti mengawal tenaga dalam arus masuk. Sudah tentu, jika overvoltage sementara boleh berlaku, maka kapasitor filem akan menjadi jauh lebih teguh dalam aplikasi. Contoh ini adalah dalam daya tarikan ringan, di mana sambungan terputus-putus kepada katenari menyebabkan lebihan voltan pada sambungan pautan dc.
Contoh ini adalah tipikal bagi kebanyakan persekitaran hari ini, seperti dalam sistem bekalan kuasa tidak terganggu, tenaga angin dan suria, kimpalan dan penyongsang terikat grid. Perbezaan kos antara filem dan elektrolitik Al boleh diringkaskan dalam angka yang diterbitkan pada tahun 2013 [2]. Kos biasa untuk bas-dc daripada 440 Vac yang diperbetulkan boleh didapati dalam Jadual 1.
Aplikasi lain adalah untuk penyahgandingan dan litar snubber dalam penukar atau penyongsang. Di sini, pembinaan filem/kerajang harus digunakan jika saiz membenarkan, kerana jenis berlogam memerlukan reka bentuk dan langkah pembuatan khas. Sebagai penyahgandingan, kapasitor diletakkan merentasi bas dc untuk menyediakan laluan kearuhan yang rendah untuk mengedarkan arus frekuensi tinggi, biasanya 1 µF setiap suis 100 A. Tanpa kapasitor, arus beredar melalui gelung kearuhan yang lebih tinggi, menyebabkan voltan sementara (Vtr) mengikut yang berikut: Vtr =-Ldi/dt.
Dengan perubahan semasa sebanyak 1,000 A/µs yang mungkin, hanya beberapa nanohenries aruhan boleh menghasilkan voltan yang ketara. Surih papan litar bercetak boleh mempunyai kearuhan sekitar 1 nH/mm, oleh itu, memberikan kira-kira 1 Vtr/mm dalam keadaan ini. Oleh itu, adalah penting untuk sambungan menjadi sesingkat mungkin. Untuk mengawal dV/dt merentas suis, kapasitor dan rangkaian perintang/diod diletakkan selari dengan IGBT atau MOSFET (Rajah 7).
Ini memperlahankan deringan, mengawal gangguan elektromagnet (EMI) dan menghalang pensuisan palsu akibat
GAMBAR 7 Suis mengecil. GAMBAR 8 Kapasitor filem sebagai penindasan EMI. GAMBAR 9 Kapasitor filem dalam penapisan EMC pemacu motor.
dV/dt, terutamanya dalam IGBT. Titik permulaan selalunya menjadikan kapasitans snubber kira-kira dua kali ganda jumlah kapasitans keluaran suis dan kapasitans pelekap, dan perintang kemudiannya dipilih untuk melembapkan sebarang deringan secara kritikal. Pendekatan reka bentuk yang lebih optimum telah dirumuskan.
Kapasitor polipropilena berkadar keselamatan sering digunakan merentasi talian kuasa untuk mengurangkan mod pembezaan EMI (Rajah 8). Keupayaan mereka untuk menahan overvoltage sementara dan sembuh sendiri adalah penting. Kapasitor dalam kedudukan ini dinilai sebagai X1 atau X2, yang boleh menahan transien 4- dan 2.5-kV, masing-masing. Nilai yang digunakan selalunya dalam mikrofarad untuk mencapai pematuhan piawaian keserasian elektromagnet (EMC) biasa pada tahap kuasa tinggi. Kapasitor jenis Y filem juga boleh digunakan dalam kedudukan line-to-earth untuk melemahkan hingar mod biasa di mana nilai kepantasan ca adalah terhad disebabkan oleh pertimbangan arus kebocoran (Rajah 8). Versi Y1 dan Y2 tersedia untuk penarafan sementara 8- dan 5-kV, masing-masing. Kearuhan sambungan rendah kapasitor filem juga membantu mengekalkan resonans diri yang tinggi.
Aplikasi yang semakin meningkat untuk kapasitor tidak berkutub adalah untuk membentuk penapis laluan rendah dengan induktor siri untuk melemahkan harmonik frekuensi tinggi dalam output ac pemacu dan penyongsang (Rajah 9). Kapasitor polipropilena sering digunakan untuk kebolehpercayaannya, penarafan arus riak yang tinggi, dan kecekapan isipadu yang baik dalam aplikasi, dan induktor dan kapasitor sering dibungkus bersama dalam satu modul. Beban seperti motor selalunya jauh dari unit pemacu, dan penapis digunakan untuk membolehkan sistem memenuhi keperluan EMC dan mengurangkan tekanan pada kabel dan motor daripada paras dV/dt yang berlebihan.
