На этой неделе мы продолжаем тему статьи прошлой недели.

1.2 Электролитические конденсаторы

В качестве диэлектрика в электролитических конденсаторах используется оксид алюминия, образующийся в результате коррозии алюминия, с диэлектрической постоянной от 8 до 8,5 и рабочей диэлектрической прочностью около 0,07 В/А (1 мкм = 10000 А). Однако достичь такой толщины невозможно. Толщина слоя алюминия снижает коэффициент емкости (удельную емкость) электролитических конденсаторов, поскольку алюминиевая фольга должна быть подвергнута травлению для образования пленки оксида алюминия с целью получения хороших характеристик накопления энергии, а поверхность будет иметь множество неровностей. С другой стороны, удельное сопротивление электролита составляет 150 Ом·см для низкого напряжения и 5 кОм·см для высокого напряжения (500 В). Более высокое удельное сопротивление электролита ограничивает среднеквадратичный ток, который может выдержать электролитический конденсатор, обычно до 20 мА/мкФ.

По этим причинам электролитические конденсаторы рассчитаны на максимальное напряжение 450 В (некоторые производители проектируют их на 600 В). Поэтому для получения более высоких напряжений необходимо соединять конденсаторы последовательно. Однако из-за разницы в сопротивлении изоляции каждого электролитического конденсатора к каждому из них необходимо подключать резистор для балансировки напряжения. Кроме того, электролитические конденсаторы являются поляризованными устройствами, и когда приложенное обратное напряжение превышает 1,5 кратное Un, происходит электрохимическая реакция. При достаточно длительном приложенном обратном напряжении конденсатор выходит из строя. Чтобы избежать этого явления, при использовании каждого конденсатора рядом с ним следует подключать диод. Кроме того, сопротивление скачков напряжения электролитических конденсаторов обычно составляет 1,15 кратного Un, а у качественных экземпляров оно может достигать 1,2 кратного Un. Поэтому при их использовании разработчикам следует учитывать не только установившееся рабочее напряжение, но и скачки напряжения. В итоге, можно составить следующую сравнительную таблицу пленочных и электролитических конденсаторов (см. рис. 1).

2. Анализ приложений

Конденсаторы постоянного тока в качестве фильтров требуют высоких токов и большой емкости. Примером может служить система привода главного двигателя электромобиля, как показано на рис. 3. В этом применении конденсатор играет роль развязки, а схема работает с высоким рабочим током. Пленочный конденсатор постоянного тока имеет преимущество в том, что он способен выдерживать большие рабочие токи (Irms). В качестве примера рассмотрим параметры электромобиля мощностью 50–60 кВт: рабочее напряжение 330 В постоянного тока, пульсации напряжения 10 В (среднеквадратичное значение), пульсации тока 150 А (среднеквадратичное значение) при 10 кГц.

Затем минимальная электрическая мощность рассчитывается следующим образом:

Это легко реализовать при проектировании пленочных конденсаторов. Предполагая использование электролитических конденсаторов, при значении 20 мА/мкФ минимальная емкость электролитических конденсаторов, удовлетворяющая вышеуказанным параметрам, рассчитывается следующим образом:

Для получения такой емкости необходимо параллельно соединить несколько электролитических конденсаторов.

В системах, работающих с перенапряжением, таких как легкорельсовый транспорт, электробусы, метро и т. д., учитывая, что питание подается на пантограф локомотива через сам пантограф, контакт между пантографом и локомотивом во время движения является прерывистым. Когда они не контактируют, питание поддерживается конденсатором DC-L, и при восстановлении контакта генерируется перенапряжение. Наихудший случай — это полный разряд конденсатора DC-Link при его отключении, когда напряжение разряда равно напряжению пантографа, и при восстановлении контакта результирующее перенапряжение почти в два раза превышает номинальное рабочее значение Un. Для пленочных конденсаторов конденсатор DC-Link можно рассматривать без дополнительных соображений. Если используются электролитические конденсаторы, перенапряжение составляет 1,2Un. Рассмотрим в качестве примера метро Шанхая. Un = 1500 В постоянного тока, для электролитического конденсатора напряжение составляет:

Затем шесть конденсаторов на 450 В соединяются последовательно. При использовании пленочных конденсаторов напряжение легко достигает 600 В постоянного тока, 2000 В постоянного тока или даже 3000 В постоянного тока. Кроме того, энергия, выделяющаяся при полной разрядке конденсатора, образует короткое замыкание между двумя электродами, генерируя большой пусковой ток через конденсатор постоянного тока, что обычно отличается от требований к электролитическим конденсаторам.

Кроме того, по сравнению с электролитическими конденсаторами, пленочные конденсаторы DC-Link могут быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить очень низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) (обычно ниже 10 мОм, а иногда и ниже <1 мОм) и собственную индуктивность LS (обычно ниже 100 нГн, а в некоторых случаях ниже 10 или 20 нГн). Это позволяет устанавливать пленочный конденсатор DC-Link непосредственно в модуль IGBT при его использовании, что позволяет интегрировать шину в пленочный конденсатор DC-Link и, таким образом, исключить необходимость в отдельном поглощающем конденсаторе для IGBT при использовании пленочных конденсаторов, что значительно экономит средства разработчика. На рис. 2 и 3 показаны технические характеристики некоторых продуктов C3A и C3B.

3. Заключение

На ранних этапах в качестве конденсаторов для DC-Link использовались преимущественно электролитические конденсаторы из-за соображений стоимости и размеров.

Однако электролитические конденсаторы подвержены влиянию напряжения и тока (значительно более высокое эквивалентное последовательное сопротивление по сравнению с пленочными конденсаторами), поэтому для получения большой емкости и соответствия требованиям высоковольтного использования необходимо соединять несколько электролитических конденсаторов последовательно и параллельно. Кроме того, учитывая испарение электролита, его необходимо регулярно заменять. В новых энергетических приложениях срок службы изделия обычно составляет 15 лет, поэтому его необходимо заменять 2-3 раза за этот период. Следовательно, возникают значительные затраты и неудобства в послепродажном обслуживании всего устройства. С развитием технологии металлизации и технологии пленочных конденсаторов стало возможным производство высокоемких фильтрующих конденсаторов постоянного тока с напряжением от 450 В до 1200 В и даже выше с ультратонкой пленкой OPP (тончайшая 2,7 мкм, даже 2,4 мкм) с использованием технологии испарения защитной пленки. С другой стороны, интеграция конденсаторов DC-Link с шиной делает конструкцию инверторного модуля более компактной и значительно снижает паразитную индуктивность цепи, оптимизируя схему.