Bộ sưu tập đa dạng các loại tụ điện không thay đổi nhiều trong những năm gần đây, nhưng các ứng dụng chắc chắn có. Trong bài viết này, chúng ta xem xét cách sử dụng tụ điện trong điện tử công suất và so sánh các công nghệ hiện có. Tụ phim đang thể hiện ưu điểm của mình trong các ứng dụng sắp tới như xe điện , chuyển đổi năng lượng thay thế, và biến tần trong ổ đĩa . Tuy nhiên, điện phân nhôm (Al) vẫn quan trọng khi mật độ lưu trữ năng lượng là yêu cầu chính.
Tụ điện hay tụ điện Al?
Thật dễ dàng để loại bỏ Điện phân Al như công nghệ của ngày hôm qua, nhưng sự khác biệt về hiệu suất giữa chúng và công nghệ thay thế phim không phải lúc nào cũng rõ ràng như vậy. Về mặt mật độ năng lượng được lưu trữ, tức là joules/cm khối, chúng vẫn đi trước các tụ điện màng tiêu chuẩn, mặc dù các biến thể kỳ lạ như tụ điện tinh thể cao phân đoạn polypropylene kim loại hóa có thể so sánh được. Ngoài ra, chất điện phân Al duy trì định mức dòng điện gợn sóng ở nhiệt độ cao hơn tốt hơn so với các tụ điện màng cạnh tranh. Ngay cả các vấn đề về tuổi thọ và độ tin cậy cũng không đáng kể khi chất điện phân Al được giảm giá trị thích hợp. Điện phân Al vẫn rất hấp dẫn khi cần phải truyền qua điện áp bus dc khi mất điện mà không cần pin dự phòng. Ví dụ, khi chi phí là yếu tố thúc đẩy, đặc biệt khó dự đoán tụ điện dạng màng sẽ thay thế tụ điện số lượng lớn trong các bộ nguồn ngoại tuyến hàng hóa.
Phim thắng theo nhiều cách
Tụ điện màng có một số lợi thế đáng kể so với các tụ điện khác: xếp hạng điện trở nối tiếp tương đương (ESR) có thể thấp hơn đáng kể, dẫn đến khả năng xử lý dòng điện gợn sóng tốt hơn nhiều. Xếp hạng điện áp tăng cũng cao hơn và có lẽ đáng chú ý nhất là tụ điện màng có thể tự phục hồi
HÌNH 1 Đặc tính màng tụ điện.
HÌNH 2 Sự biến đổi của DF theo nhiệt độ của màng polypropylene.
Sau căng thẳng, dẫn đến độ tin cậy và tuổi thọ hệ thống tốt hơn. Tuy nhiên, khả năng tự phục hồi còn phụ thuộc vào mức độ căng thẳng, giá trị đỉnh và tốc độ lặp lại. Ngoài ra, sự cố thảm khốc cuối cùng vẫn có thể xảy ra do sự lắng đọng cacbon và hư hỏng phụ do hồ quang plasma tạo ra trong quá trình khắc phục sự cố. Những đặc điểm này phù hợp với các ứng dụng hiện đại về chuyển đổi năng lượng trong xe điện và các hệ thống năng lượng thay thế, nơi không cần phải duy trì hoạt động khi mất điện hoặc giữa các đỉnh gợn sóng tần số đường dây. Yêu cầu chính là khả năng tạo ra và tiêu diệt dòng điện gợn sóng tần số cao có thể đạt tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn ampe trong khi vẫn duy trì mức tổn thất có thể chấp nhận được và độ tin cậy cao. Ngoài ra còn có xu hướng chuyển sang điện áp bus cao hơn để giảm tổn thất ohmic ở các mức công suất nhất định. Điều này có nghĩa là nối tiếp các chất điện phân Al với định mức điện áp tối đa vốn có của chúng là khoảng 550 V. Để tránh mất cân bằng điện áp, có thể cần phải chọn các tụ điện đắt tiền có giá trị phù hợp và sử dụng điện trở cân bằng điện áp với tổn thất và chi phí liên quan.
Vấn đề về độ tin cậy không hề đơn giản, mặc dù trong điều kiện được kiểm soát, chất điện phân có thể so sánh với màng cách điện, nghĩa là chúng thường chỉ chịu được 20% quá điện áp trước khi xảy ra hư hỏng. Ngược lại, tụ điện màng có thể chịu được quá điện áp 100% trong thời gian giới hạn. Khi bị hỏng, chất điện phân có thể bị đoản mạch và phát nổ, làm hỏng toàn bộ dãy linh kiện nối tiếp/song song với tình trạng phóng điện chất điện phân nguy hiểm. Tụ điện màng cũng có thể tự phục hồi, nhưng độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện thực tế thường xuyên bị căng thẳng có thể rất khác nhau giữa hai loại. Giống như tất cả các thành phần, độ ẩm cao có thể làm giảm hiệu suất của tụ điện màng và để có độ tin cậy tốt nhất, điều này cần được kiểm soát tốt. Một điểm khác biệt thực tế khác là sự dễ dàng lắp đặt các tụ điện dạng màng—chúng có sẵn trong các hộp hình chữ nhật cách điện, hiệu suất thể tích với nhiều tùy chọn kết nối điện, từ đầu vít đến vấu, chốt và thanh cái, so với các hộp kim loại tròn điển hình của chất điện phân. Màng điện môi không phân cực cho phép gắn chống đảo ngược và cho phép sử dụng trong các ứng dụng sử dụng nguồn điện xoay chiều, chẳng hạn như trong bộ lọc đầu ra biến tần.
Tất nhiên, có rất nhiều loại điện môi của tụ điện màng và Hình 1 đưa ra bản tóm tắt về hiệu suất so sánh của chúng [1]. Màng Polypropylen là người chiến thắng chung cuộc khi tổn thất và độ tin cậy khi chịu ứng suất là những cân nhắc chính do DF thấp và độ phân hủy điện môi cao trên mỗi đơn vị độ dày. Các loại màng khác có thể tốt hơn về định mức nhiệt độ và điện dung/thể tích, với hằng số điện môi cao hơn và tính sẵn có của màng mỏng hơn, đồng thời, ở điện áp thấp, polyester vẫn được sử dụng phổ biến. DF đặc biệt quan trọng và được định nghĩa là ESR/điện kháng điện dung và thường được chỉ định ở tần số 1 kHz và 25 °C. DF thấp so với các chất điện môi khác có nghĩa là độ tỏa nhiệt thấp hơn và là cách so sánh tổn thất trên mỗi microfarad. DF hơi thay đổi theo tần số và nhiệt độ, nhưng polypropylene hoạt động tốt nhất. Hình 2 và 3 thể hiện các sơ đồ điển hình.
Có hai loại cấu trúc tụ điện màng chính sử dụng lá kim loại và mạ kim loại lắng đọng, như trong Hình 4. Lá kim loại dày khoảng 5 nm thường được sử dụng giữa các lớp điện môi để có khả năng dòng điện cực đại cao, nhưng nó không tự kết thúc. -chữa lành sau khi chịu đựng căng thẳng. Màng kim loại hóa được hình thành bằng chân không và thường bằng cách lắng đọng Al ở nhiệt độ 1.200 °C lên màng đến độ dày khoảng 20–50 nm với nhiệt độ của màng dao động từ −25 đến −35 °C,
HÌNH 3 Sự biến đổi của DF theo tần số đối với màng polypropylen.
HÌNH 4 Cấu tạo của tụ điện màng
mặc dù hợp kim kẽm (Zn) và Al-Zn cũng có thể được sử dụng. Quá trình này cho phép tự phục hồi, trong đó sự cố tại bất kỳ điểm nào trong chất điện môi sẽ gây ra hiện tượng nóng lên cục bộ, có thể lên tới 6.000 ° C, khiến plasma hình thành. Quá trình kim loại hóa xung quanh kênh đánh thủng bị bay hơi, với sự giãn nở nhanh chóng của plasma làm nguội quá trình phóng điện, giúp cô lập khuyết tật và khiến tụ điện hoạt động bình thường. Việc giảm điện dung là tối thiểu nhưng tăng dần theo thời gian, khiến nó trở thành một chỉ báo hữu ích về sự lão hóa của linh kiện.
Một phương pháp phổ biến để nâng cao độ tin cậy hơn nữa là phân chia quá trình kim loại hóa trên màng thành các khu vực, có thể là hàng triệu khu vực, với các cổng hẹp cấp dòng điện vào các phân đoạn và đóng vai trò là cầu chì khi quá tải. Việc thu hẹp tổng đường dẫn dòng điện đến quá trình kim loại hóa sẽ làm giảm khả năng xử lý dòng điện cực đại của linh kiện, nhưng giới hạn an toàn bổ sung được đưa ra cho phép tụ điện được định mức hữu ích ở điện áp cao hơn.
Polypropylen hiện đại có độ bền điện môi xấp xỉ 650 V/µm và có độ dày khoảng 1,9 µm trở lên, do đó, thường xuyên có thể đạt được mức điện áp tụ điện lên đến vài kilovolt, với một số bộ phận thậm chí còn được định mức ở mức 100 kV. Tuy nhiên, ở điện áp cao hơn, hiện tượng phóng điện cục bộ (PD), còn gọi là phóng điện vầng quang, trở thành một yếu tố. PD là sự đánh thủng điện áp cao của các lỗ rỗng siêu nhỏ trong khối vật liệu hoặc trong các khe hở không khí giữa các lớp vật liệu, gây ra đoản mạch một phần trên toàn bộ đường cách điện. PD (phóng điện hào quang) để lại dấu vết carbon nhẹ; tác động ban đầu là không đáng chú ý nhưng có thể tích lũy theo thời gian cho đến khi xảy ra sự cố nghiêm trọng và đột ngột của lớp cách nhiệt bị suy yếu có dấu vết carbon. Hiệu ứng này được mô tả bằng đường cong Paschen, được hiển thị trong Hình 5, và có điện áp khởi động và tắt đặc trưng. Hình vẽ cho thấy hai ví dụ về cường độ trường. Các điểm phía trên đường cong Paschen, A, có khả năng tạo ra sự phân tích PD.
HÌNH 5 Đường cong Paschen và cường độ điện trường mẫu.
Để chống lại hiệu ứng này, các tụ điện có điện áp rất cao được tẩm dầu để loại trừ không khí khỏi các bề mặt phân cách lớp. Các loại điện áp thấp hơn có xu hướng được lấp đầy bằng nhựa, điều này cũng giúp tăng cường độ bền cơ học. Một giải pháp khác là đặt các tụ điện nối tiếp trong các vỏ riêng lẻ, giúp giảm hiệu quả độ sụt điện áp trên mỗi tụ xuống thấp hơn nhiều so với điện áp khởi động. PD là hiệu ứng do cường độ điện trường nên việc tăng độ dày điện môi để giảm gradient điện áp luôn có thể thực hiện được nhưng lại làm tăng kích thước tổng thể của tụ điện. Có những thiết kế tụ điện kết hợp các lá kim loại và quá trình kim loại hóa để mang lại sự cân bằng giữa khả năng dòng điện cực đại và khả năng tự phục hồi. Quá trình kim loại hóa cũng có thể được phân loại từ mép của tụ điện sao cho vật liệu dày hơn ở các cạnh giúp xử lý dòng điện tốt hơn và kết thúc chắc chắn hơn bằng cách hàn hoặc hàn, và việc phân loại có thể liên tục hoặc theo từng bước.
Có lẽ sẽ hữu ích nếu bạn lùi lại một bước và quan sát xem việc sử dụng tụ điện phân Al có lợi như thế nào. Một ví dụ là trong bộ chuyển đổi ngoại tuyến 1 kW, hiệu suất 90% với mặt trước được điều chỉnh theo hệ số công suất, cần thời gian truyền qua 20 ms, như trong Hình 6. Nó thường sẽ có một bus dc bên trong với điện áp danh định, Vn, là 400 V và điện áp sụt áp, Vd, là 300 V, dưới mức này sẽ mất khả năng điều chỉnh đầu ra.
Tụ điện lớn C1 cung cấp năng lượng để duy trì công suất đầu ra không đổi trong thời gian chạy qua được chỉ định khi điện áp bus giảm từ 400 xuống 300 V sau khi mất điện. Về mặt toán học, Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) hoặc C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF ở định mức 450 V.
Nếu như Tụ điện phân Al được sử dụng thì phương trình sẽ cho kết quả thể tích yêu cầu là khoảng 52 cm3 (tức là 3 trong 3 ), ví dụ: nếu TDK-EPCOS Dòng B43508 được sử dụng. Ngược lại, tụ điện dạng màng sẽ có kích thước không thực tế, có lẽ cần 15 tụ song song với tổng thể tích 1.500 cm3 (tức là 91 trong 3 ) nếu sử dụng dòng TDK-EPCOS B32678. Sự khác biệt là rõ ràng, nhưng sự lựa chọn sẽ thay đổi nếu tụ điện cần thiết để điều khiển điện áp gợn sóng trên đường dây một chiều. Lấy một ví dụ tương tự trong đó điện áp bus 400-V được lấy từ pin, do đó không cần phải giữ lại. Tuy nhiên, cần phải giảm hiệu ứng gợn sóng xuống, ví dụ: bình phương trung bình gốc 4 V (rms) từ các xung dòng điện tần số cao 80 A rms được lấy bởi bộ chuyển đổi xuôi dòng ở tần số 20 kHz. Đây có thể là một ứng dụng cho xe điện và điện dung yêu cầu có thể xấp xỉ từ C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF ở mức 450 V.
HÌNH 6 Tụ điện cho một chuyến đi qua (giữ lên). HVDC: điện áp cao dc.
Một chất điện phân ở 180 µF, 450 V có thể có định mức dòng điện gợn sóng chỉ khoảng 3,5 A rms ở 60 °C, bao gồm cả hiệu chỉnh tần số (dòng EPCOS B43508). Do đó, đối với 80 A, cần có 23 tụ điện song song, tạo ra 4.140 µF không cần thiết với tổng thể tích là 1.200 cm3 (tức là 73 trong 3 ). Điều này tuân thủ định mức dòng điện gợn sóng 20 mA/µF đôi khi được trích dẫn dành cho chất điện phân. Nếu xét tụ điện màng thì bây giờ chỉ có 4 tụ điện song song từ EPCOS B32678 loạt đưa ra định mức dòng điện gợn sóng 132-A rms trong thể tích 402 cm3 (tức là 24,5 trong 3 ). Nếu nhiệt độ bị giới hạn, chẳng hạn như nhiệt độ môi trường xung quanh dưới 70 °C, thì bạn vẫn có thể chọn kích thước vỏ nhỏ hơn. Ngay cả khi chúng ta chọn phương pháp điện phân vì lý do khác, điện dung dư thừa có thể gây ra các vấn đề khác, chẳng hạn như kiểm soát năng lượng trong dòng điện khởi động. Tất nhiên, nếu xảy ra hiện tượng quá điện áp nhất thời thì tụ điện màng sẽ bền hơn rất nhiều trong ứng dụng. Một ví dụ về điều này là lực kéo nhẹ, trong đó kết nối không liên tục với dây xích gây ra quá điện áp trên kết nối liên kết dc.
Ví dụ này là điển hình của nhiều môi trường ngày nay, chẳng hạn như trong các hệ thống cung cấp điện liên tục, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, hàn và bộ biến tần nối lưới. Sự khác biệt về chi phí giữa chất điện phân màng và chất điện phân Al có thể được tóm tắt trong số liệu công bố năm 2013 [2]. Chi phí điển hình cho một bus dc từ 440 Vac đã chỉnh lưu có thể được tìm thấy trong Bảng 1.
Các ứng dụng khác là để tách rời và mạch snubber trong bộ chuyển đổi hoặc bộ biến tần. Ở đây, nên sử dụng kết cấu màng/lá nếu kích thước cho phép, vì các loại kim loại hóa yêu cầu các bước thiết kế và sản xuất đặc biệt. Khi tách, tụ điện được đặt trên bus dc để cung cấp đường dẫn có độ tự cảm thấp cho dòng điện tần số cao tuần hoàn, thường là 1 µF trên 100 A chuyển mạch. Nếu không có tụ điện, dòng điện sẽ chạy qua các vòng có độ tự cảm cao hơn, gây ra điện áp nhất thời (Vtr) như sau: Vtr =-Ldi/dt.
Với dòng điện có thể thay đổi ở mức 1.000 A/µs, chỉ một vài nano độ tự cảm có thể tạo ra điện áp đáng kể. Các vết trên bảng mạch in có thể có độ tự cảm khoảng 1 nH/mm, do đó cung cấp khoảng 1 Vtr/mm trong trường hợp này. Vì vậy, điều quan trọng là các kết nối phải càng ngắn càng tốt. Để điều khiển dV/dt qua các công tắc, tụ điện và mạng điện trở/diode được đặt song song với một IGBT hoặc MOSFET (Hình 7).
Điều này làm chậm tiếng chuông, kiểm soát nhiễu điện từ (EMI) và ngăn chặn chuyển đổi giả do tần số cao.
HÌNH 7 Công tắc đang tắt. HÌNH 8 Các tụ điện màng có chức năng triệt tiêu EMI. HÌNH 9 Các tụ màng trong bộ lọc EMC điều khiển động cơ.
dV/dt, đặc biệt là trong IGBT. Điểm bắt đầu thường là tạo ra điện dung snubber gần gấp đôi tổng điện dung đầu ra của công tắc và điện dung lắp, sau đó điện trở được chọn để làm giảm nghiêm trọng bất kỳ tiếng chuông nào. Các phương pháp thiết kế tối ưu hơn đã được xây dựng.
Tụ điện polypropylene được đánh giá an toàn thường được sử dụng trên các đường dây điện để giảm EMI ở chế độ vi sai (Hình 8). Khả năng chịu được quá điện áp thoáng qua và khả năng tự phục hồi của chúng là rất quan trọng. Tụ điện ở các vị trí này được đánh giá là X1 hoặc X2, có thể chịu được điện áp quá độ 4 và 2,5 kV tương ứng. Các giá trị được sử dụng thường nằm trong các vi sóng để đạt được sự tuân thủ các tiêu chuẩn tương thích điện từ (EMC) điển hình ở mức công suất cao. Tụ điện loại màng Y cũng có thể được sử dụng ở các vị trí nối đất để giảm nhiễu chế độ chung trong đó giá trị điện dung bị giới hạn do xem xét dòng điện rò rỉ (Hình 8). Phiên bản Y1 và Y2 có sẵn tương ứng với định mức nhất thời 8 và 5 kV. Độ tự cảm kết nối thấp của tụ màng cũng giúp duy trì khả năng tự cộng hưởng cao.
Ứng dụng ngày càng tăng của các tụ điện không phân cực là tạo ra các bộ lọc thông thấp với các cuộn cảm nối tiếp để làm giảm các sóng hài tần số cao ở đầu ra xoay chiều của bộ truyền động và bộ biến tần (Hình 9). Tụ điện polypropylen thường được sử dụng vì độ tin cậy, định mức dòng điện gợn sóng cao và hiệu suất thể tích tốt trong ứng dụng, đồng thời cuộn cảm và tụ điện thường được đóng gói cùng nhau trong một mô-đun. Các tải như động cơ thường ở xa bộ truyền động và các bộ lọc được sử dụng để cho phép hệ thống đáp ứng các yêu cầu EMC và giảm căng thẳng lên hệ thống cáp và động cơ do mức dV/dt quá cao.
