Deze week borduren we verder op het artikel van vorige week.

1.2 Elektrolytische condensatoren

Het diëlektricum dat in elektrolytische condensatoren wordt gebruikt, is aluminiumoxide, gevormd door corrosie van aluminium, met een diëlektrische constante van 8 tot 8,5 en een werkingsdiëlektrische sterkte van ongeveer 0,07 V/A (1 µm = 10.000 A). Het is echter niet mogelijk om een ​​dergelijke dikte te bereiken. De dikte van de aluminiumlaag vermindert de capaciteitsfactor (specifieke capaciteit) van elektrolytische condensatoren, omdat de aluminiumfolie geëtst moet worden om een ​​aluminiumoxidefilm te vormen voor goede energieopslageigenschappen, en het oppervlak veel oneffenheden vertoont. Aan de andere kant is de soortelijke weerstand van de elektrolyt 150 Ωcm voor lage spanning en 5 kΩcm voor hoge spanning (500 V). De hogere soortelijke weerstand van de elektrolyt beperkt de RMS-stroom die de elektrolytische condensator kan verdragen, doorgaans tot 20 mA/µF.

Om deze redenen zijn elektrolytische condensatoren ontworpen voor een maximale spanning van typisch 450V (sommige fabrikanten ontwerpen ze voor 600V). Om hogere spanningen te verkrijgen, is het daarom noodzakelijk om condensatoren in serie te schakelen. Vanwege het verschil in isolatieweerstand van elke elektrolytische condensator moet echter een weerstand op elke condensator worden aangesloten om de spanning van elke in serie geschakelde condensator te balanceren. Bovendien zijn elektrolytische condensatoren gepolariseerde componenten en treedt er een elektrochemische reactie op wanneer de toegepaste omgekeerde spanning meer dan 1,5 keer Un bedraagt. Als de toegepaste omgekeerde spanning lang genoeg aanhoudt, zal de condensator doorslaan. Om dit te voorkomen, moet er bij gebruik een diode naast elke condensator worden aangesloten. Daarnaast is de overspanningsbestendigheid van elektrolytische condensatoren over het algemeen 1,15 keer Un, en de betere exemplaren kunnen 1,2 keer Un bereiken. Ontwerpers moeten daarom bij het gebruik van elektrolytische condensatoren niet alleen rekening houden met de stabiele werkspanning, maar ook met de overspanningsbestendigheid. Samenvattend kan de volgende vergelijkingstabel tussen filmcondensatoren en elektrolytische condensatoren worden opgesteld (zie Fig. 1).

2. Applicatieanalyse

DC-Link condensatoren als filters vereisen ontwerpen met een hoge stroomsterkte en een hoge capaciteit. Een voorbeeld hiervan is het aandrijfsysteem van de hoofdmotor van een elektrisch voertuig, zoals weergegeven in figuur 3. In deze toepassing speelt de condensator een ontkoppelingsfunctie en heeft het circuit een hoge bedrijfsstroom. De film-DC-Link condensator heeft als voordeel dat deze grote bedrijfsstromen (Irms) kan weerstaan. Neem bijvoorbeeld de parameters van een elektrisch voertuig van 50-60 kW: bedrijfsspanning 330 Vdc, rimpelspanning 10 Vrms, rimpelstroom 150 Arms bij 10 kHz.

Vervolgens wordt het minimale elektrische vermogen als volgt berekend:

Dit is eenvoudig te implementeren voor het ontwerp van filmcondensatoren. Ervan uitgaande dat elektrolytische condensatoren worden gebruikt, en rekening houdend met 20 mA/μF, wordt de minimale capaciteit van de elektrolytische condensatoren die aan de bovenstaande parameters voldoet als volgt berekend:

Hiervoor zijn meerdere elektrolytische condensatoren parallel geschakeld nodig om deze capaciteit te verkrijgen.

Bij toepassingen met overspanning, zoals trams, elektrische bussen, metro's, enz., is het belangrijk te bedenken dat de stroom via de pantograaf met de locomotief wordt verbonden. Het contact tussen de pantograaf en de stroomafnemer is tijdens de rit onderbroken. Wanneer er geen contact is, wordt de stroomvoorziening ondersteund door de DC-link condensator. Wanneer het contact hersteld is, ontstaat er overspanning. In het ergste geval ontlaadt de DC-link condensator volledig wanneer deze is losgekoppeld. De ontladingsspanning is dan gelijk aan de pantograafspanning en wanneer het contact hersteld is, is de resulterende overspanning bijna twee keer zo hoog als de nominale bedrijfsspanning Un. Voor filmcondensatoren kan de DC-link condensator zonder extra aandacht worden gebruikt. Bij gebruik van elektrolytische condensatoren bedraagt ​​de overspanning 1,2 Un. Neem bijvoorbeeld de metro van Shanghai. Un = 1500 Vdc. Voor elektrolytische condensatoren is de spanning als volgt:

Vervolgens moeten de zes 450V-condensatoren in serie worden geschakeld. Bij gebruik van filmcondensatoren is een spanning van 600Vdc tot 2000Vdc of zelfs 3000Vdc eenvoudig te realiseren. Bovendien ontstaat er bij volledige ontlading van de condensator een kortsluiting tussen de twee elektroden, waardoor een grote inschakelstroom door de DC-linkcondensator loopt. Dit is doorgaans anders dan bij elektrolytische condensatoren, waardoor aan de eisen niet voldaan kan worden.

Bovendien kunnen DC-Link-filmcondensatoren, in vergelijking met elektrolytische condensatoren, zo worden ontworpen dat ze een zeer lage ESR (doorgaans lager dan 10 mΩ, en zelfs lager dan 1 mΩ) en zelfinductie LS (doorgaans lager dan 100 nH, en in sommige gevallen lager dan 10 of 20 nH) bereiken. Hierdoor kan de DC-Link-filmcondensator direct in de IGBT-module worden geïnstalleerd, waardoor de busbar in de DC-Link-filmcondensator kan worden geïntegreerd. Dit elimineert de noodzaak voor een aparte IGBT-absorbercondensator bij gebruik van filmcondensatoren, wat de ontwerper aanzienlijk geld bespaart. Figuur 2 en 3 tonen de technische specificaties van enkele C3A- en C3B-producten.

3. Conclusie

In de beginjaren bestonden DC-Link-condensatoren voornamelijk uit elektrolytische condensatoren vanwege kosten- en afmetingsoverwegingen.

Elektrolytische condensatoren hebben echter een beperkte spannings- en stroombestendigheid (veel hogere ESR dan filmcondensatoren), waardoor het nodig is om meerdere elektrolytische condensatoren in serie en parallel te schakelen om een ​​grote capaciteit te verkrijgen en te voldoen aan de eisen van hoogspanningstoepassingen. Bovendien moet het elektrolytmateriaal, vanwege de verdamping ervan, regelmatig worden vervangen. Toepassingen in de nieuwe energiesector vereisen over het algemeen een levensduur van 15 jaar, wat betekent dat de condensatoren gedurende deze periode 2 tot 3 keer vervangen moeten worden. Dit brengt aanzienlijke kosten en ongemakken met zich mee voor de service na verkoop van de gehele machine. Dankzij de ontwikkeling van metallisatiecoatingtechnologie en filmcondensatortechnologie is het mogelijk geworden om DC-filtercondensatoren met een hoge capaciteit te produceren voor spanningen van 450V tot 1200V of zelfs hoger, met behulp van ultradunne OPP-films (de dunste 2,7 µm, soms zelfs 2,4 µm) en een veilige filmverdampingstechnologie. Daarentegen zorgt de integratie van DC-Link-condensatoren met de busbar ervoor dat het ontwerp van de omvormermodule compacter wordt en de parasitaire inductantie van het circuit aanzienlijk wordt verminderd, wat de circuitprestaties optimaliseert.