На этой неделе мы проанализируем использование пленочных конденсаторов вместо электролитических в конденсаторах звена постоянного тока. Статья будет разделена на две части.

С развитием новой энергетической отрасли технология переменного тока получила широкое распространение, и конденсаторы постоянного тока стали особенно важны как одно из ключевых устройств для выбора. Конденсаторы постоянного тока в фильтрах постоянного тока обычно требуют большой емкости, обработки высоких токов и высокого напряжения и т. д. Сравнивая характеристики пленочных и электролитических конденсаторов и анализируя соответствующие области применения, в данной работе делается вывод, что в схемах, требующих высокого рабочего напряжения, высокого пульсационного тока (Irms), требований к перенапряжению, обратного напряжения, высокого пускового тока (dV/dt) и длительного срока службы, пленочные конденсаторы с развитием технологии металлизированного осаждения из паровой фазы и технологии пленочных конденсаторов станут тенденцией для замены электролитических конденсаторов в будущем с точки зрения производительности и цены.

Внедрение новых энергетических политик и развитие новой энергетической отрасли в различных странах открыли новые возможности для развития смежных отраслей. Конденсаторы, как важнейший продукт смежной отрасли, также получили новые перспективы. В новых источниках энергии и электромобилях конденсаторы являются ключевыми компонентами в системах управления энергией, управления питанием, инверторах и системах преобразования постоянного тока в переменный, определяя срок службы преобразователя. Однако в инверторе в качестве входного источника питания используется постоянный ток, который подключается к инвертору через шину постоянного тока, называемую DC-Link или DC support. Поскольку инвертор получает высокие среднеквадратичные и пиковые импульсные токи от DC-Link, он генерирует высокое импульсное напряжение на DC-Link, что затрудняет его работу. Поэтому конденсатор DC-Link необходим для поглощения высоких импульсных токов от DC-Link и предотвращения колебаний высокого импульсного напряжения инвертора в допустимых пределах; с другой стороны, он также предотвращает воздействие на инверторы перенапряжения и переходных перенапряжений на DC-Link.

Схема использования конденсаторов постоянного тока в системах привода электродвигателей для возобновляемых источников энергии (включая ветроэнергетику и фотоэлектроэнергетику) и транспортных средств на новых источниках энергии показана на рисунках 1 и 2.

На рисунке 1 показана топология схемы преобразователя энергии ветрогенератора, где C1 — это звено постоянного тока (обычно интегрированное в модуль), C2 — абсорбционный конденсатор на основе IGBT, C3 — LC-фильтр (со стороны сети), а C4 — фильтр DV/DT со стороны ротора. На рисунке 2 показана технология схемы преобразователя энергии фотоэлектрического генератора, где C1 — фильтр постоянного тока, C2 — фильтр электромагнитных помех, C4 — звено постоянного тока, C6 — LC-фильтр (со стороны сети), C3 — фильтр постоянного тока, а C5 — абсорбционный конденсатор на основе IPM/IGBT. На рисунке 3 показана система управления главным двигателем в системе электромобиля, где C3 — звено постоянного тока, а C4 — абсорбционный конденсатор на основе IGBT.

В вышеупомянутых новых энергетических приложениях конденсаторы постоянного тока, как ключевые устройства, необходимы для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы в ветроэнергетических системах, фотоэлектрических системах и системах электромобилей, поэтому их выбор имеет особое значение. Ниже приведено сравнение характеристик пленочных и электролитических конденсаторов и их анализ в контексте применения конденсаторов постоянного тока.

1. Сравнение характеристик

1.1 Пленочные конденсаторы

Сначала рассмотрим принцип технологии пленочной металлизации: на поверхности тонкопленочного носителя испаряется достаточно тонкий слой металла. При наличии дефекта в носителе этот слой способен испаряться, тем самым изолируя дефектное место для защиты — явление, известное как самовосстановление.

На рисунке 4 показан принцип нанесения металлического покрытия, при котором тонкопленочный носитель предварительно обрабатывается (коронным разрядом или иным способом) перед испарением, чтобы молекулы металла могли к нему прилипнуть. Металл испаряется путем растворения при высокой температуре в вакууме (1400–1600 ℃ для алюминия и 400–600 ℃ для цинка), а пары металла конденсируются на поверхности пленки при контакте с охлажденной пленкой (температура охлаждения пленки от -25 ℃ до -35 ℃), образуя таким образом металлическое покрытие. Развитие технологии металлизации позволило улучшить диэлектрическую прочность пленочного диэлектрика на единицу толщины, и конструкция конденсаторов для импульсных или разрядных применений в сухой технологии может достигать 500 В/мкм, а конструкция конденсаторов для применения в фильтрах постоянного тока — 250 В/мкм. Конденсатор DC-Link относится к последней категории и, согласно стандарту IEC61071 для применения в силовой электронике, может выдерживать более сильные перепады напряжения и достигать напряжения, в 2 раза превышающего номинальное.

Таким образом, пользователю достаточно учитывать номинальное рабочее напряжение, необходимое для его конструкции. Металлизированные пленочные конденсаторы имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что позволяет им выдерживать большие пульсации тока; более низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESL) соответствует требованиям к низкой индуктивности инверторов и уменьшает эффект колебаний на частотах переключения.

Качество пленочного диэлектрика, качество металлизированного покрытия, конструкция конденсатора и технологический процесс производства определяют самовосстанавливающиеся свойства металлизированных конденсаторов. В качестве пленочного диэлектрика для конденсаторов DC-Link в основном используется полипропиленовая пленка (OPP).

Содержание главы 1.2 будет опубликовано в статье на следующей неделе.