Koleksi pelbagai jenis kapasitor tidak banyak berubah sejak beberapa tahun kebelakangan ini, tetapi aplikasi pasti ada. Dalam artikel ini, kita melihat bagaimana kapasitor digunakan dalam elektronik kuasa dan membandingkan teknologi yang tersedia. Kapasitor filem menunjukkan kelebihan mereka dalam aplikasi yang akan datang seperti Kenderaan elektrik , alter- penukaran kuasa tenaga asli, dan penyongsang dalam pemacu . Walau bagaimanapun, elektrolitik aluminium (Al) masih penting apabila ketumpatan penyimpanan tenaga adalah keperluan utama.
Al Electrolitic atau Film Capacitor?
Mudah dibuang Al Electrolytics Sebagai teknologi semalam, tetapi pembezaan dalam prestasi antara mereka dan alternatif filem tidak selalu begitu jelas. Dari segi ketumpatan tenaga yang disimpan, iaitu, sentimeter joules/padu, mereka masih mendahului kapasitor filem standard, walaupun varian eksotik seperti bersegmen tinggi kristal polipropilena logam adalah setanding. Juga, Al Electrolytics mengekalkan penarafan riak-semasa mereka pada suhu yang lebih tinggi lebih baik daripada kapasitor filem yang bersaing. Malah masalah kehidupan dan kebolehpercayaan yang dirasakan tidak begitu penting apabila Al Electrolytics disediakan dengan sewajarnya. Al Electrolytics masih sangat menarik di mana perjalanan voltan bas DC pada gangguan kuasa diperlukan tanpa back-up bateri. Sebagai contoh, apabila kos adalah faktor pemacu, sangat sukar untuk menjangka kapasitor filem mengambil alih dari kapasitor pukal dalam bekalan kuasa luar talian komoditi.
Filem menang dalam pelbagai cara
Kapasitor filem mempunyai beberapa kelebihan yang ketara ke atas kapasitor lain: rintangan siri setara (ESR) boleh menjadi lebih rendah secara dramatik, yang membawa kepada pengendalian ripplecurrent yang lebih baik. Penarafan lonjakan-voltan juga unggul, dan, mungkin yang paling ketara, kapasitor filem boleh menyembunyikan diri
Rajah 1 Ciri -ciri filem kapasitor.
Rajah 2 Variasi DF dengan suhu untuk filem polipropilena.
Selepas tekanan, membawa kepada kebolehpercayaan sistem yang lebih baik dan seumur hidup. Walau bagaimanapun, keupayaan untuk menyembunyikan diri bergantung kepada tahap tekanan, nilai puncak, dan kadar pengulangan. Di samping itu, kegagalan bencana akhirnya masih mungkin disebabkan oleh pemendapan karbon dan kerosakan cagaran dari arka plasma yang dihasilkan semasa penjelasan kesalahan. Ciri-ciri ini sepadan dengan aplikasi moden penukaran kuasa dalam kenderaan elektrik dan sistem tenaga alternatif di mana tidak ada pegangan yang diperlukan dengan gangguan atau antara puncak riak frekuensi. Keperluan utama adalah keupayaan untuk sumber dan tenggelam arus riak frekuensi tinggi yang mungkin mencapai beratus-ratus 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 kerugian ohmik pada tahap kuasa yang diberikan. 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 dipadankan dan menggunakan voltan mengimbangi voltan dengan kerugian dan kos yang berkaitan.
Isu kebolehpercayaan tidak mudah, walaupun, di bawah keadaan terkawal, elektrolitik dapat dibandingkan dengan filem kuasa, yang bermaksud bahawa mereka biasanya akan menahan hanya 20% overvoltage sebelum kerosakan berlaku. Sebaliknya, kapasitor filem boleh menahan 100% overvoltage untuk tempoh yang terhad. Apabila kegagalan, elektrolitik boleh litar pintas dan meletup, mengambil seluruh bank siri/komponen selari dengan pelepasan elektrolit berbahaya. Kapasitor filem juga boleh menyembunyikan diri, tetapi kebolehpercayaan sistem di bawah keadaan yang sahih dari tekanan sekali-sekala boleh menjadi sangat berbeza antara kedua-dua jenis. Seperti semua komponen, tahap kelembapan yang tinggi dapat merendahkan prestasi kapasitor filem, dan, untuk kebolehpercayaan terbaik, ini harus dikawal dengan baik. Satu lagi pembezaan praktikal adalah kemudahan kapasitor filem pemasangan -mereka boleh didapati di kandang kotak segi empat tepat yang bertebat, volumetrik dengan pelbagai pilihan sambungan elektrik, dari terminal skru ke lugs, fasttons, dan bar bas, berbanding dengan tin logam bulat biasa elektrolitik. Filem dielektrik nonpolar memberikan pemasangan terbalik-bukti dan membolehkan penggunaan dalam aplikasi di mana AC digunakan, seperti dalam penapisan inverter-output.
Sudah tentu, terdapat banyak jenis filem dielektrik kapasitor yang tersedia, dan Rajah 1 memberikan ringkasan persembahan perbandingan mereka [1]. Filem polipropilena adalah pemenang keseluruhan apabila kerugian dan kebolehpercayaan di bawah tekanan adalah pertimbangan utama kerana DF yang rendah dan pecahan dielektrik tinggi per unit ketebalan. Filem -filem lain boleh menjadi lebih baik untuk penarafan suhu dan kapasitans/kelantangan, dengan pemalar dielektrik yang lebih tinggi dan ketersediaan filem yang lebih nipis, dan, pada voltan rendah, poliester masih digunakan secara umum. DF amat penting dan ditakrifkan sebagai reaktansi ESR/kapasitif, dan biasanya ditentukan pada 1 kHz dan 25 ° C. DF yang rendah berbanding dengan dielektrik lain membayangkan pemanasan yang lebih rendah dan merupakan cara membandingkan kerugian setiap microfarad. DF sedikit berbeza dengan kekerapan dan suhu, tetapi polipropilena melakukan yang terbaik. Angka 2 dan 3 menunjukkan plot biasa.
Terdapat dua jenis utama pembinaan kapasitor filem yang menggunakan foil dan metallization yang didepositkan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Foil logam yang kira-kira 5-nm tebal biasanya digunakan di antara lapisan dielektrik untuk keupayaan puncak semasa puncaknya, tetapi ia tidak menyembunyikan diri sendiri selepas tekanan yang berterusan. Filem logam dibentuk oleh vakum dan dengan biasanya mendepositkan AL pada 1,200 ° C ke filem ke ketebalan kira -kira 20-50 nm dengan suhu filem dari -25 hingga -35 ° C,
Rajah 3 Variasi DF dengan kekerapan untuk filem polipropilena.
Rajah 4 Pembinaan Kapasitor Filem
Walaupun zink (Zn) dan aloi al-Zn juga boleh digunakan. Proses ini membolehkan penyembuhan diri, di mana kerosakan pada bila-bila masa di seluruh dielektrik menyebabkan pemanasan sengit setempat, mungkin sehingga 6,000 ° C, menyebabkan plasma terbentuk. Metalisasi di sekitar saluran pecahan dikurangkan, dengan pengembangan pesat plasma pelepasan pelepasan, yang mengasingkan kecacatan dan meninggalkan kapasitor sepenuhnya berfungsi. Pengurangan kapasitans adalah minimum tetapi aditif dari masa ke masa, menjadikannya penunjuk berguna penuaan komponen.
Kaedah yang sama untuk peningkatan kebolehpercayaan selanjutnya adalah untuk segmen metalisasi pada filem ke kawasan, mungkin berjuta -juta, dengan pintu sempit memberi makan arus ke dalam segmen dan bertindak sebagai fius untuk beban kasar. Penyempitan jalur semasa ke metallization tidak mengurangkan pengendalian semasa puncak komponen, tetapi margin keselamatan tambahan yang diperkenalkan membolehkan kapasitor dinilai dengan berguna pada voltan yang lebih tinggi.
Polypropylene 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 kilovolts boleh dicapai secara rutin, dengan beberapa bahagian bahkan dinilai pada 100 kV. Walau bagaimanapun, pada voltan yang lebih tinggi, fenomena pelepasan separa (PD), yang juga dikenali sebagai pelepasan korona, menjadi faktor. PD adalah pecahan voltan tinggi mikrovoid dalam sebahagian besar bahan atau di dalam jurang udara antara lapisan bahan, menyebabkan litar pendek separa jejak penebat. PD (pelepasan korona) meninggalkan jejak karbon sedikit; Kesan awal tidak dapat dikesan tetapi boleh berkumpul dari masa ke masa sehingga pecahan kasar dan tiba-tiba penebat yang dikesan oleh karbon berlaku. Kesannya diterangkan oleh lengkung Paschen, ditunjukkan dalam Rajah 5, dan mempunyai voltan permulaan dan kepupusan ciri. Angka ini menunjukkan dua kekuatan medan contoh. Mata di atas lengkung Paschen, A, mungkin menghasilkan pecahan PD.
Rajah 5 Kurva Paschen dan contoh kekuatan medan elektrik.
Untuk mengatasi kesannya, kapasitor yang dinilai voltan yang sangat tinggi adalah minyak yang diresapi untuk mengecualikan udara dari antara muka lapisan. Jenis-jenis voltan yang lebih rendah cenderung diisi resin, yang juga membantu dengan keteguhan mekanikal. Penyelesaian lain adalah untuk membentuk kapasitor siri di perumahan tunggal, dengan berkesan mengurangkan penurunan voltan di setiap ke bawah voltan permulaan. PD adalah kesan disebabkan oleh keamatan medan elektrik, jadi peningkatan ketebalan dielektrik untuk mengurangkan kecerunan voltan selalu mungkin tetapi meningkatkan saiz keseluruhan kapasitor. Terdapat reka bentuk kapasitor yang menggabungkan foil dan metalisasi untuk memberikan kompromi antara kemampuan semasa puncak dan penyembuhan diri. Metalisasi juga boleh dinilai dari pinggir kapasitor supaya bahan tebal di tepi memberikan pengendalian semasa yang lebih baik dan penamatan yang lebih mantap dengan pematerian atau kimpalan, dan penggredan dapat berterusan atau melangkah.
Ia mungkin berguna untuk mengambil langkah mundur dan memerhatikan bagaimana menggunakan kapasitor al-elektrolitik adalah berfaedah. Salah satu contohnya ialah penukar luar talian 10%, 1-kW dengan bahagian depan yang diperbetulkan oleh faktor-faktor, memerlukan perjalanan 20 ms melalui, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.
Kapasitor pukal C1 membekalkan tenaga untuk mengekalkan kuasa output yang berterusan semasa masa perjalanan yang ditentukan apabila voltan bas jatuh dari 400 hingga 300 V selepas gangguan. Secara matematik, PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) atau C = 2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) = 634NF pada penilaian 450 V.
Jika Kapasitor Al-Electrolytic digunakan, maka persamaan menghasilkan jumlah yang diperlukan kira -kira 52 cm3 (iaitu, 3 dalam 3), mis., Jika TDK-EPCOS Siri B43508 digunakan. Sebaliknya, kapasitor filem akan menjadi tidak praktikal, yang memerlukan 15 selari dengan jumlah keseluruhan 1,500 cm3 (iaitu, 91 dalam 3) jika siri TDK-EPCOS B32678 digunakan. Perbezaannya jelas, tetapi pilihan akan berubah jika kapasitor diperlukan untuk mengawal voltan riak pada garis DC. Ambil contoh yang sama di mana voltan bas 400-V adalah dari bateri, jadi pegangan tidak diperlukan. Walau bagaimanapun, terdapat keperluan untuk mengurangkan kesan riak kepada, mis., 4 V Root Mean Squared (RMS) dari 80 A RMS FREAQUENCE semasa pulsa yang diambil oleh penukar hiliran pada 20 kHz. Ini boleh menjadi aplikasi kenderaan elektrik, dan kapasitans yang diperlukan boleh dianggarkan dari C = IRMS/VRIPPE.2.π.F = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF pada penilaian 450 V.
Rajah 6 Kapasitor untuk menunggang (tahan). HVDC: DC voltan tinggi.
Satu elektrolitik pada 180 μF, 450 V mungkin mempunyai penarafan ripplecurrent hanya kira -kira 3.5 A RMS pada 60 ° C, termasuk pembetulan frekuensi (Siri Epcos B43508). Oleh itu, untuk 80 a, 23 kapasitor diperlukan selari, menghasilkan 4,140 μF yang tidak perlu dengan jumlah keseluruhan 1,200 cm3 (iaitu, 73 dalam 3). Ini mematuhi penarafan riak-riak 20 mA/μF yang kadang-kadang disebutkan untuk elektrolitik. Sekiranya kapasitor filem dipertimbangkan, sekarang, hanya empat selari dari EPCOS B32678 Siri memberikan penarafan semasa 132-A rms ripple dalam jumlah 402 cm3 (iaitu, 24.5 dalam 3). Sekiranya suhu terhad kepada, mis., Kurang daripada 70 ° C ambien, maka saiz kes yang lebih kecil masih boleh dipilih. Walaupun kita memilih elektrolisis atas alasan lain, kapasitans yang berlebihan boleh menyebabkan masalah lain, seperti mengawal tenaga dalam arus inrush. Sudah tentu, jika overvoltages sementara dapat berlaku, maka kapasitor filem akan jauh lebih mantap dalam permohonan itu. Contohnya akan menjadi daya tarikan cahaya, di mana sambungan berselang-seli ke catenary menyebabkan overvoltage pada sambungan DC-Link.
Contoh ini adalah tipikal dari banyak persekitaran hari ini, seperti dalam sistem bekalan kuasa yang tidak terganggu, angin dan tenaga solar, kimpalan, dan penyongsang grid. Perbezaan kos antara filem dan al elektrolitik boleh diringkaskan dalam angka yang diterbitkan pada tahun 2013 [2]. Kos tipikal untuk bas DC dari 440 VAC yang diperbetulkan boleh didapati dalam Jadual 1.
Aplikasi lain adalah untuk decoupling dan litar snubber dalam penukar atau penyongsang. Di sini, pembinaan filem/kerajang harus digunakan jika saiz permit, kerana jenis logam memerlukan reka bentuk khas dan langkah -langkah pembuatan. Sebagai decoupling, kapasitor diletakkan di seluruh bas DC untuk menyediakan laluan induktansi yang rendah untuk beredar arus frekuensi tinggi, biasanya 1 μF per 100 A beralih. Tanpa kapasitor, arus beredar melalui gelung induktansi yang lebih tinggi, menyebabkan voltan sementara (VTR) mengikut yang berikut: VTR = -LDI/DT.
Dengan perubahan semasa 1,000 A/μs yang mungkin, hanya beberapa nanohenries induktansi dapat menghasilkan voltan yang signifikan. Jejak papan litar bercetak boleh mempunyai induktansi sekitar 1 nh/mm, oleh itu, kira-kira, kira-kira 1 VTR/mm dalam keadaan ini. Oleh itu, adalah penting untuk sambungan menjadi secepat mungkin. Untuk mengawal DV/ DT merentasi suis, kapasitor dan rangkaian perintang/ diod diletakkan selari dengan IGBT atau MOSFET (Rajah 7).
Ini melambatkan dering, mengawal gangguan elektromagnet (EMI), dan menghalang pertukaran palsu kerana tinggi
Rajah 7 Suis snubbing. Rajah 8 Kapasitor filem sebagai penindasan EMI. Rajah 9 Kapasitor filem dalam penapisan EMC pemacu motor.
DV/DT, terutamanya dalam IGBTS. Titik permulaan sering membuat kapasitans snubber kira -kira dua kali ganda jumlah kapasitans output suis dan kapasitans pemasangan, dan perintang kemudian dipilih untuk kritikal melemahkan sebarang deringan. Pendekatan reka bentuk yang lebih optimum telah dirumuskan.
Kapasitor polipropilena yang dinilai keselamatan sering digunakan di seluruh garis kuasa untuk mengurangkan mod perbezaan EMI (Rajah 8). Keupayaan mereka untuk menahan overvoltages sementara dan penyembuhan diri adalah penting. Kapasitor dalam kedudukan ini dinilai sebagai X1 atau X2, yang dapat menahan transien 4- dan 2.5-kV. Nilai -nilai yang digunakan sering dalam mikrofarad untuk mencapai pematuhan dengan standard keserasian elektromagnet (EMC) yang tipikal pada tahap kuasa tinggi. Kapasitor jenis Y-jenis juga boleh digunakan dalam kedudukan line-to-earth untuk melemahkan bunyi mod biasa di mana nilai pacitance CA terhad disebabkan oleh kebocoran semasa (Rajah 8). Versi Y1 dan Y2 disediakan untuk penarafan sementara 8- dan 5-kV. Induktansi sambungan rendah kapasitor filem Juga membantu menjaga diri sendiri tinggi.
Permohonan yang semakin meningkat untuk kapasitor nonpolarized adalah untuk membentuk penapis rendah dengan induktor siri untuk melemahkan harmonik highfrequency dalam output AC pemacu dan penyongsang (Rajah 9). Kapasitor polipropilena sering digunakan untuk kebolehpercayaan mereka, penarafan semasa riak tinggi, dan kecekapan volumetrik yang baik dalam aplikasi, dan induktor dan kapasitor sering dibungkus bersama dalam satu modul. Beban seperti motor sering jauh dari unit pemacu, dan penapis digunakan untuk membolehkan sistem memenuhi keperluan EMC dan mengurangkan tekanan pada kabel dan motor dari tahap DV/DT yang berlebihan.
