Bộ sưu tập đa dạng của các loại tụ điện đã không thay đổi nhiều trong những năm gần đây, nhưng các ứng dụng chắc chắn có. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét cách các tụ điện được sử dụng trong điện tử Power và so sánh các công nghệ có sẵn. Tụ điện phim đang thể hiện lợi thế của họ trong các ứng dụng sắp tới như Xe điện , thay đổi- chuyển đổi năng lượng năng lượng bản địa 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.
Al điện phân hay tụ điện phim?
Thật dễ dàng để loại bỏ Al điện phân Như công nghệ ngày hôm qua, nhưng sự khác biệt về hiệu suất giữa chúng và bộ phim thay thế không phải lúc nào cũng rõ ràng. Về 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 phân đoạn cao Polypropylen kim loại có thể so sánh. Ngoài ra, điện phân Al duy trì xếp hạng dòng điện gợn của họ ở nhiệt độ cao hơn tốt hơn so với các tụ điện phim cạnh tranh. Ngay cả các vấn đề về cuộc sống và độ tin cậy nhận thức cũng không quá đáng kể khi điện phân Al được phân loại một cách thích hợp. Al điện phân vẫn rất hấp dẫn, nơi cần phải đi qua điện áp xe buýt DC khi mất điện mà không cần pin dự phòng. Ví dụ, khi chi phí là một yếu tố thúc đẩy, đặc biệt khó dự đoán các tụ điện phim tiếp quản từ các tụ điện số lượng lớn trong nguồn cung cấp điện ngoại tuyến hàng hóa.
Phim chiến thắng theo nhiều cách
Các tụ điện phim có một số lợi thế đáng kể so với các tụ điện khác: Xếp hạng điện trở loạt tương đương (ESR) có thể thấp hơn đáng kể, dẫn đến xử lý Ripplerent tốt hơn nhiều. Xếp hạng điện áp đột biến cũng vượt trội, và, có lẽ đáng kể nhất là các tụ điện phim có thể tự chữa lành
Hình 1 Các đặc điểm phim tụ điện.
Hình 2 Sự thay đổi của DF với nhiệt độ cho màng polypropylen.
Sau khi căng thẳng, dẫn đến độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống tốt hơn. Tuy nhiên, khả năng tự chữa lành phụ thuộc vào mức độ căng thẳng, giá trị cao nhất và tốc độ lặp lại. Ngoài ra, thất bại thảm khốc cuối cùng vẫn có thể do lắng đọng carbon và thiệt hại tài sản thế chấp từ hồ quang plasma được tạo ra trong quá trình xóa lỗi. Những đặc điểm này phù hợp với các ứng dụng hiện đại của chuyển đổi điện trong xe điện và các hệ thống năng lượng thay thế, nơi không cần phải giữ mức ngừng hoạt động hoặc giữa các đỉnh gợn tần số dòng. Yêu cầu chính là khả năng nguồn và chìm các dòng gợn tần số cao có thể đạt đến hàng trăm nếu không phải hàng ngàn ampe trong khi vẫn duy trì tổn thất có thể chịu được và độ tin cậy cao. Ngoài ra còn có một chuyển động đến điện áp xe buýt cao hơn để giảm tổn thất ohmic ở mức năng lượng nhất định. Điều này có nghĩa là một kết nối loạt các điện phân Al với mức độ 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 với các giá trị phù hợp và sử dụng điện trở cân bằng điện áp với các tổn thất và chi phí liên quan của chúng.
Tuy nhiên, vấn đề độ tin cậy không đơn giản, mặc dù, trong các điều kiện được kiểm soát, chất điện phân có thể so sánh với màng điện, có nghĩa là chúng thường sẽ chịu được 20% điện áp trước khi xảy ra thiệt hại. Ngược lại, các tụ điện phim có thể chịu được 100% điện áp trong thời gian giới hạn. Sau khi thất bại, chất điện phân có thể ngắn mạch và phát nổ, hạ gục toàn bộ ngân hàng gồm các thành phần loạt/song song với việc xả điện phân nguy hiểm. Các tụ điện phim cũng có thể tự chữa lành, nhưng độ tin cậy của hệ thống trong các điều kiện xác thực của căng thẳng thường xuyên có thể rất khác nhau giữa hai loại. Như với tất cả các thành phần, độ ẩm cao có thể làm giảm hiệu suất tụ điện phim, và, để có độ tin cậy tốt nhất, điều này nên được kiểm soát tốt. Một điểm khác biệt thực tế khác là sự dễ dàng của các tụ điện màng, chúng có sẵn trong vỏ hộp hình chữ nhật hiệu quả, hiệu quả về mặt thể tích với nhiều tùy chọn kết nối điện, từ các đầu nối vít đến vấu, fastton và thanh bus, so với các lon kim loại tròn điển hình. Phim điện môi không phân cực cung cấp gắn kết ngược và cho phép sử dụng trong các ứng dụng mà AC được áp dụng, chẳng hạn như trong bộ lọc biến tần-đầu ra.
Tất nhiên, có nhiều loại điện môi tụ điện phim có sẵn và Hình 1 đưa ra một bản tóm tắt về các màn trình diễn so sánh của chúng [1]. Phim polypropylen là người chiến thắng chung cuộc khi tổn thất và độ tin cậy khi bị căng thẳng là những cân nhắc chính vì DF thấp và sự cố điện môi cao trên mỗi đơn vị dày. Các màng khác có thể tốt hơn cho xếp hạng nhiệt độ và điện dung/thể tích, với các hằng số điện môi cao hơn và tính sẵn có của màng mỏng hơn, và, ở điện áp thấp, polyester vẫn được sử dụng phổ biến. DF đặc biệt quan trọng và được định nghĩa là phản ứng ESR/điện dung, và nó thường được chỉ định ở 1 kHz và 25 ° C. Một DF thấp so với các điện môi khác ngụ ý sưởi ấm thấp hơn và là một cách so sánh tổn thất trên mỗi microfarad. DF hơi thay đổi theo tần số và nhiệt độ, nhưng polypropylen hoạt động tốt nhất. Hình 2 và 3 cho thấy các ô điển hình.
Có hai loại cấu trúc tụ điện phim chính sử dụng lá và luyện kim lắng đọng, như trong Hình 4. Lá kim loại dày xấp xỉ 5nm thường được sử dụng giữa các lớp điện môi cho khả năng dòng điện cực đại cao của nó, nhưng nó không tự phục hồi sau khi căng thẳng kéo dài. Màng kim loại được hình thành bởi chân không và thường gửi Al ở 1.200 ° C vào màng đến độ dày khoảng 20 hồi50nm với nhiệt độ màng từ −25 đến −35 ° C,
Hình 3 Sự thay đổi của DF với tần số cho màng polypropylen.
Hình 4 Xây dựng tụ điện phim
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 các sự cố tại bất kỳ điểm nào trong suốt quá trình làm nóng điện môi, có lẽ lên tới 6.000 ° C, khiến huyết tương hình thành. Việc luyện kim xung quanh kênh phân tích bị bốc hơi, với sự mở rộng nhanh chóng của việc dập tắt plasma, cách ly khiếm khuyết và khiến tụ điện đầy đủ chức năng. Việc giảm điện dung là tối thiểu nhưng phụ gia theo thời gian, làm cho nó trở thành một chỉ số hữu ích về sự lão hóa của thành phần.
Một phương pháp phổ biến để tăng cường độ tin cậy hơn nữa là phân đoạn quá trình luyện kim trên màng thành các khu vực, có lẽ là hàng triệu, với các cổng hẹp đưa dòng điện vào các phân đoạn và đóng vai trò là cầu chì cho quá tải tổng. Việc thu hẹp tổng đường dẫn hiện tại đến kim loại hóa làm giảm khả năng xử lý dòng điện cực đại của thành phần, nhưng biên độ an toàn thêm được giới thiệu cho phép tụ điện được đánh giá hữu ích ở các điện áp cao hơn.
Polypropylen hiện đại có cường độ điện môi khoảng 650 V/PhaM và có sẵn độ dày khoảng 1,9 Muffm trở lên, do đó, xếp hạng điện áp tụ điện lên đến vài kilovolt thường xuyên có thể đạt được, với một số phần thậm chí được đánh giá ở mức 100 kV. Tuy nhiên, ở các điện áp cao hơn, hiện tượng phóng điện một phần (PD), còn được gọi là xả corona, trở thành một yếu tố. PD là sự phân hủy điện áp cao của các microvoids trong phần lớn vật liệu hoặc trong các khoảng cách không khí giữa các lớp vật liệu, gây ra một phần ngắn của đường dẫn điện tổng hợp. PD (xả Corona) để lại một dấu vết carbon nhỏ; Hiệu ứng ban đầu là không thể chú ý nhưng có thể tích lũy theo thời gian cho đến khi sự phân hủy thô và đột ngột của cách điện bị suy yếu, theo dõi carbon. Hiệu ứng được mô tả bởi đường cong Paschen, được hiển thị trong Hình 5, và có một sự khởi đầu đặc trưng và điện áp tuyệt chủng. Hình vẽ cho thấy hai điểm mạnh trường ví dụ. Các điểm phía trên đường cong Paschen, A, có khả năng tạo ra sự cố PD.
Hình 5 Đường cong Paschen và ví dụ cường độ điện trường.
Để chống lại hiệu ứng, các tụ điện được xếp hạng điện áp rất cao được tẩm dầu để loại trừ không khí khỏi các giao diện lớp. Các loại điện áp thấp có xu hướng được lấp đầy nhựa, cũng giúp với độ bền cơ học. Một giải pháp khác là hình thành các tụ điện chuỗi trong các vỏ đơn, làm giảm hiệu quả mức giảm điện áp trên mỗi lớp xuống dưới điện áp khởi động. PD là một hiệu ứng do cường độ điện trường, do đó, việc tăng độ dày điện môi để làm giảm độ dốc điện áp luôn luôn có thể nhưng làm tăng kích thước tổng thể của tụ điện. Có các thiết kế tụ điện kết hợp lá và luyện kim để cung cấp sự thỏa hiệp giữa khả năng hiện tại cực đại và tự phục hồi. Việc luyện kim cũng có thể được phân loại từ rìa của tụ điện để vật liệu dày hơn ở các cạnh cho khả năng xử lý hiện tại tốt hơn và chấm dứt mạnh mẽ hơn bằng cách hàn hoặc hàn, và việc chấm điểm có thể được liên tục hoặc bước.
Có lẽ, có lẽ hữu ích để lùi lại một bước và quan sát cách sử dụng các tụ điện al-electrolytic là thuận lợi. Một ví dụ là trong bộ chuyển đổi ngoại tuyến 1-kW, hiệu quả 90%với mặt trước được điều chỉnh yếu tố điện, cần đi qua 20 ms, như trong Hình 6. Nó thường có bus DC bên trong với điện áp danh nghĩa, VN, 400 V và điện áp bỏ rơi, VD, dưới mức 300 VN.
Tụ điện số lượng lớn C1 cung cấp năng lượng để duy trì công suất đầu ra không đổi trong thời gian đi xe được chỉ định khi điện áp xe buýt giảm từ 400 xuống 300 V sau khi ngừng hoạt động. Về mặt toán học, po t/h = 1/2 c (vn²-vd²) hoặc c = 2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) = 634NF khi xếp hạng 450 V.
Nếu như Tụ điện al-điện tử được sử dụng, sau đó phương trình dẫn đến một thể tích cần thiết khoảng 52 cm3 (tức là, 3 trong 3), ví dụ: nếu TDK-EPCOS Sê -ri B43508 được sử dụng. Ngược lại, các tụ điện phim sẽ lớn về mặt không chính xác, có lẽ đòi hỏi 15 song song với tổng khối lượng 1.500 cm3 (tức là, 91 trong 3) nếu sử dụng sê-ri TDK-EPCOS B32678. Sự khác biệt là rõ ràng, nhưng sự lựa chọn sẽ thay đổi nếu tụ điện cần điều khiển điện áp gợn trên đường DC. Lấy một ví dụ tương tự trong đó điện áp xe buýt 400 V từ pin, do đó không cần phải giữ. Tuy nhiên, cần phải giảm hiệu ứng gợn xuống, ví dụ, bình phương trung bình 4 v (RMS) từ 80 xung dòng tần số cao RMS được thực hiện bởi một bộ chuyển đổi xuôi dòng ở 20 kHz. Đây có thể là một ứng dụng xe điện và điện dung được yêu cầu có thể được xấp xỉ từ C = IRMS/VRIPPE.2.π.F = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF khi xếp hạng 450 V.
Hình 6 Các tụ điện cho một chuyến đi qua (giữ lên). HVDC: DC điện áp cao.
Một chất điện phân ở 180 PhaF, 450 V có thể có xếp hạng ripplectrent chỉ khoảng 3,5 A RMS ở 60 ° C, bao gồm hiệu chỉnh tần số (sê -ri EPCOS B43508). Do đó, trong 80 A, 23 tụ điện sẽ được yêu cầu song song, tạo ra 4.140 LAF không cần thiết với tổng thể tích 1.200 cm3 (tức là, 73 trong 3). Điều này tuân thủ xếp hạng dòng điện 20 Ma /FF được trích dẫn đôi khi cho điện phân. Nếu các tụ điện phim được xem xét, bây giờ, chỉ có bốn EPCOS B32678 Sê-ri đưa ra xếp hạng dòng chảy 132-A RMS trong một khối lượng 402 cm3 (tức là, 24,5 trong 3). Nếu nhiệt độ bị hạn chế, ví dụ, dưới 70 ° C xung quanh, thì kích thước trường hợp nhỏ hơn vẫn có thể được chọn. Ngay cả khi chúng ta chọn chất điện phân trên các căn cứ khác, điện dung dư thừa có thể gây ra các vấn đề khác, chẳng hạn như kiểm soát năng lượng trong dòng chảy. Tất nhiên, nếu quá mức vượt trội có thể xảy ra, thì các tụ điện phim sẽ mạnh mẽ hơn nhiều trong ứng dụng. Một ví dụ về điều này sẽ là trong lực kéo ánh sáng, trong đó kết nối không liên tục với một 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 năng lượng không tham nhũng, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, hàn và bộ biến tần liên kết lưới. Sự khác biệt về chi phí giữa điện phân phim và Al có thể được tóm tắt trong các số liệu được công bố vào năm 2013 [2]. Có thể tìm thấy chi phí điển hình cho DC-Bus từ Actified 440 VAC trong Bảng 1.
Các ứng dụng khác dành cho việc tách rời và Mạch hợm hĩnh trong bộ chuyển đổi hoặc biến tần. Ở đây, xây dựng màng/lá nên được sử dụng nếu kích thước cho phép, vì các loại kim loại yêu cầu các bước thiết kế và sản xuất đặc biệt. Khi tách rời, tụ điện được đặt trên bus DC để cung cấp đường dẫn tự cảm thấp để lưu thông các dòng tần số cao, thường là 1 PhaF trên 100 a. Không có tụ điện, dòng điện lưu thông qua các vòng tự cảm cao hơn, gây ra điện áp thoáng qua (VTR) theo như sau: vtr = -LDI/dt.
Với những thay đổi hiện tại là 1.000 A/máy có thể, chỉ có một vài nanohenries tự cảm có thể tạo ra điện áp đáng kể. Dấu vết bảng được in có thể có độ tự cảm khoảng 1 NH/mm, do đó, do đó, khoảng 1 VTR/mm trong tình huống này. Vì vậy, điều quan trọng là các kết nối là 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 IGBT hoặc MOSFET (Hình 7).
Điều này làm chậm vòng, kiểm soát nhiễu điện từ (EMI) và ngăn chặn chuyển đổi giả do cao
Hình 7 Công tắc hắt hơi. Hình 8 Các tụ điện phim như EMI đàn áp. Hình 9 Các tụ điện phim trong bộ lọc EMC dẫn động động cơ.
DV/DT, đặc biệt là trong IGBT. Một điểm bắt đầu thường làm cho điện dung hãm khoảng cách gấp đôi tổng của điện dung đầu ra và điện dung lắp, và điện trở sau đó được chọn để giảm bớt bất kỳ vòng nào. Phương pháp thiết kế tối ưu hơn đã được xây dựng.
Các tụ điện polypropylen được xếp hạng an toàn thường được sử dụng trên các đường dây điện để giảm EMI chế độ khác biệt (Hình 8). Khả năng của họ để chịu được sự quá điện áp thoáng qua và tự chữa lành là rất quan trọng. Các tụ điện ở các vị trí này được đánh giá là X1 hoặc X2, có thể chịu được các quá độ 4 và 2,5 kV, tương ứng. Các giá trị được sử dụng thường nằm trong các vi mô để đạt được sự tuân thủ với các tiêu chuẩn tương thích điện từ điển hình (EMC) ở mức công suất cao. Các tụ điện loại Y cũng có thể được sử dụng ở các vị trí từ xa để làm giảm nhiễu chế độ phổ biến trong đó giá trị nhịp độ CA bị hạn chế do các cân nhắc hiện tại rò rỉ (Hình 8). Các phiên bản Y1 và Y2 có sẵn cho xếp hạng thoáng qua 8 và 5 kV, tương ứng. Độ tự cảm kết nối thấp của tụ điện phim Cũng giúp giữ cho bản thân cao.
Một ứng dụng ngày càng tăng cho các tụ điện không phân cực là tạo thành các bộ lọc thông thấp với các cuộn cảm loạt để làm giảm sóng hài tần số trong đầu ra AC của các ổ đĩa và bộ biến tần (Hình 9). Các tụ điện polypropylen thường được sử dụng cho độ tin cậy của chúng, xếp hạng dòng điện cao và hiệu quả thể tích tốt trong ứng dụng, và các cuộn cảm và tụ điện thường được đóng gói cùng nhau trong một mô-đun. Các tải như động cơ thường cách xa bộ phận ổ đĩa và các bộ lọc được sử dụng để cho phép các hệ thống đáp ứng các yêu cầu EMC và giảm căng thẳng cho hệ thống cáp và động cơ từ mức DV/DT quá mức.
