Beragam kumpulan jenis kapasitor tidak banyak berubah selama beberapa tahun terakhir, tetapi aplikasi tentu saja. Dalam artikel ini, kita melihat bagaimana kapasitor digunakan dalam elektronik daya dan membandingkan teknologi yang tersedia. Kapasitor film menunjukkan keunggulan mereka dalam aplikasi mendatang seperti kendaraan listrik , mengubah- konversi daya energi asli, dan inverter dalam drive . Namun, elektrolitik aluminium (AL) masih penting ketika kepadatan penyimpanan energi adalah persyaratan utama.
Al elektrolitik atau kapasitor film?
Mudah untuk diberhentikan Al elektrolitik Sebagai teknologi kemarin, tetapi diferensiasi dalam kinerja antara mereka dan alternatif film tidak selalu begitu jelas. Dalam hal kepadatan energi yang tersimpan, yaitu, joule/sentimeter kubik, mereka masih di depan kapasitor film standar, meskipun varian eksotis seperti kristal tinggi tersegmentasi Polypropylene metalisasi sebanding. Juga, al elektrolitik mempertahankan peringkat arus riak mereka pada suhu yang lebih tinggi lebih baik daripada kapasitor film yang bersaing. Bahkan masalah kehidupan dan keandalan yang dirasakan tidak begitu signifikan ketika elektrolitik AL diturunkan dengan tepat. Al elektrolitik masih sangat menarik di mana perjalanan-melalui tegangan bus DC pada pemadaman listrik diperlukan tanpa cadangan baterai. Misalnya, ketika biaya adalah faktor penggerak, sangat sulit untuk mengantisipasi kapasitor film yang mengambil alih dari kapasitor curah dalam catu daya off-line komoditas.
Film menang dalam banyak hal
Kapasitor film memiliki beberapa keunggulan signifikan dibandingkan kapasitor lain: peringkat resistensi seri setara (ESR) dapat secara dramatis lebih rendah, yang mengarah ke penanganan arus ripplecurrent yang jauh lebih baik. Peringkat gelombang-lonjakan juga lebih unggul, dan, mungkin yang paling penting, kapasitor film bisa sewa-self-heal
Gambar 1 Karakteristik film kapasitor.
Gambar 2 Variasi DF dengan suhu untuk film polypropylene.
Setelah stres, mengarah ke keandalan sistem yang lebih baik dan seumur hidup. Namun, kemampuan untuk sembuh sendiri tergantung pada tingkat stres, nilai puncak, dan tingkat pengulangan. Selain itu, kegagalan bencana akhirnya masih dimungkinkan karena deposisi karbon dan kerusakan jaminan akibat busur plasma yang dihasilkan selama pembersihan kesalahan. Karakteristik ini cocok dengan aplikasi modern konversi daya dalam kendaraan listrik dan sistem energi alternatif di mana tidak ada penahanan yang diperlukan dengan pemadaman atau antara puncak riak frekuensi garis. Persyaratan utama adalah kemampuan untuk sumber dan menenggelamkan arus riak frekuensi tinggi yang mungkin mencapai ratusan jika tidak ribuan amp sambil mempertahankan kerugian yang dapat ditoleransi dan keandalan yang tinggi. Ada juga gerakan ke tegangan bus yang lebih tinggi untuk mengurangi kerugian ohmic pada tingkat daya yang diberikan. Ini berarti koneksi seri elektrolitik AL dengan peringkat tegangan maksimum yang melekat sekitar 550 V. Untuk menghindari ketidakseimbangan tegangan, mungkin perlu untuk memilih kapasitor mahal dengan nilai yang cocok dan menggunakan resistor penyeimbang tegangan dengan kerugian dan biaya yang terkait.
Masalah reliabilitas tidak mudah, meskipun, dalam kondisi terkontrol, elektrolitik sebanding dengan film listrik, yang berarti bahwa mereka biasanya akan menahan hanya 20% dari tegangan berlebih sebelum kerusakan terjadi. Sebaliknya, kapasitor film dapat menahan mungkin 100% dari tegangan berlebih untuk periode terbatas. Setelah kegagalan, elektrolitik dapat menghubungkan dan meledak, mencatat seluruh bank dari seri/komponen paralel dengan pelepasan elektrolit berbahaya. Kapasitor film juga dapat menggembirakan diri sendiri, tetapi keandalan sistem dalam kondisi otentik stres sesekali bisa sangat berbeda antara kedua jenis. Seperti halnya semua komponen, tingkat kelembaban yang tinggi dapat menurunkan kinerja kapasitor film, dan, untuk keandalan terbaik, ini harus dikontrol dengan baik. Pembeda praktis lainnya adalah kemudahan pemasangan kapasitor film - mereka tersedia dalam penutup kotak persegi panjang yang diisolasi secara volumetrik dengan berbagai opsi koneksi listrik, dari terminal sekrup hingga lugs, faston, dan batang bus, dibandingkan dengan kaleng elektrolit logam bundar yang khas. Film dielektrik nonpolar memberikan pemasangan tahan terbalik dan memungkinkan penggunaan dalam aplikasi di mana AC diterapkan, seperti dalam penyaringan-output inverter.
Tentu saja, ada banyak tipe dielektrik kapasitor film yang tersedia, dan Gambar 1 memberikan ringkasan kinerja komparatif mereka [1]. Film Polypropylene adalah pemenang keseluruhan ketika kekalahan dan keandalan di bawah tekanan adalah pertimbangan utama karena DF rendah dan kerusakan dielektrik tinggi per unit ketebalan. Film -film lain bisa lebih baik untuk peringkat suhu dan kapasitansi/volume, dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi dan ketersediaan film yang lebih tipis, dan, pada tegangan rendah, poliester masih digunakan secara umum. DF sangat penting dan didefinisikan sebagai reaktansi ESR/kapasitif, dan biasanya ditentukan pada 1 kHz dan 25 ° C. DF rendah dibandingkan dengan dielektrik lain menyiratkan pemanasan yang lebih rendah dan merupakan cara membandingkan kerugian per microfarad. DF sedikit bervariasi dengan frekuensi dan suhu, tetapi polypropylene berkinerja terbaik. Gambar 2 dan 3 menunjukkan plot khas.
Ada dua jenis utama konstruksi kapasitor film yang menggunakan foil dan metalisasi yang diendapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Foil logam yang tebal sekitar 5-nm biasanya digunakan antara lapisan dielektrik untuk kemampuan puncak puncaknya yang tinggi, tetapi tidak mengalami masalah sendiri setelah mengalami tekanan. Film metalisasi dibentuk oleh ruang hampa dan dengan biasanya menyimpan AL pada 1.200 ° C ke film hingga ketebalan sekitar 20-50 nm dengan suhu film mulai dari −25 hingga −35 ° C,
Gambar 3 Variasi DF dengan frekuensi film polypropylene.
Gambar 4 Konstruksi kapasitor film
Meskipun zinc (Zn) dan paduan Al-Zn juga dapat digunakan. Proses ini memungkinkan penyembuhan diri, di mana kerusakan pada titik mana pun di seluruh dielektrik menyebabkan pemanasan intens yang terlokalisasi, mungkin hingga 6.000 ° C, menyebabkan plasma terbentuk. Metalisasi di sekitar saluran kerusakan diuapkan, dengan ekspansi cepat plasma memadamkan keluarnya, yang mengisolasi cacat dan membuat kapasitor berfungsi penuh. Pengurangan kapasitansi minimal tetapi aditif dari waktu ke waktu, menjadikannya indikator yang berguna dari penuaan komponen.
Metode umum untuk peningkatan keandalan lebih lanjut adalah untuk segmen metalisasi pada film menjadi area, mungkin jutaan, dengan gerbang sempit memberi makan arus ke dalam segmen dan bertindak sebagai sekering untuk kelebihan beban kotor. Penyempitan total jalur arus ke metalisasi memang mengurangi penanganan puncak komponen, tetapi margin keselamatan ekstra yang diperkenalkan memungkinkan kapasitor dinilai dengan baik pada tegangan yang lebih tinggi.
Polypropylene modern memiliki kekuatan dielektrik sekitar 650 V/μm dan tersedia dengan ketebalan sekitar 1,9 μm dan ke atas, sehingga peringkat tegangan kapasitor hingga beberapa kilovolt secara rutin dapat dicapai, dengan beberapa bagian bahkan dinilai 100 kV. Namun, pada tegangan yang lebih tinggi, fenomena debit parsial (PD), juga dikenal sebagai debit korona, menjadi faktor. PD adalah kerusakan tegangan tinggi mikrovoid dalam sebagian besar material atau di celah udara antara lapisan material, menyebabkan rangkaian pendek parsial dari jalur isolasi total. PD (corona debit) meninggalkan sedikit jejak karbon; Efek awal tidak terlalu mencolok tetapi dapat menumpuk dari waktu ke waktu sampai kerusakan yang kotor dan tiba-tiba dari isolasi yang dilemahkan dan dilacak karbon terjadi. Efeknya dijelaskan oleh kurva Paschen, ditunjukkan pada Gambar 5, dan memiliki karakteristik awal dan tegangan kepunahan. Gambar tersebut menunjukkan dua contoh kekuatan bidang. Poin di atas kurva Paschen, A, cenderung menghasilkan kerusakan PD.
Gambar 5 Kurva Paschen dan contoh kekuatan medan listrik.
Untuk melawan efeknya, kapasitor yang dinilai tegangan sangat tinggi diamenkan untuk mengecualikan udara dari antarmuka lapisan. Jenis tegangan rendah cenderung diisi resin, yang juga membantu dengan ketahanan mekanis. Solusi lain adalah membentuk kapasitor seri di rumah tunggal, secara efektif mengurangi penurunan tegangan di masing -masing hingga jauh di bawah tegangan awal. PD adalah efek karena intensitas medan listrik, sehingga meningkatkan ketebalan dielektrik untuk mengurangi gradien tegangan selalu mungkin tetapi meningkatkan ukuran keseluruhan kapasitor. Ada desain kapasitor yang menggabungkan foil dan metalisasi untuk memberikan kompromi antara kemampuan puncak arus dan penyembuhan diri. Metalisasi juga dapat dinilai dari tepi kapasitor sehingga bahan yang lebih tebal di tepi memberikan penanganan arus yang lebih baik dan penghentian yang lebih kuat dengan menyolder atau pengelasan, dan penilaian dapat kontinu atau diinjak.
Mungkin, berguna untuk mengambil langkah mundur dan mengamati bagaimana menggunakan kapasitor al-elektrolitik menguntungkan. Salah satu contohnya adalah konverter off-line 1-kW yang efisien 90%dengan ujung depan yang dikoreksi faktor-daya, membutuhkan perjalanan 20-ms melalui, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Ini biasanya akan memiliki bus DC internal dengan tegangan nominal, VN, dari 400 V dan tegangan drop-out, VD, dari 300 V, di bawah ini yang output dari output 400 V dan voltase drop-out, VD, dari 300 V, di bawah yang outputnya.
Kapasitor curah C1 memasok energi untuk mempertahankan daya output konstan selama waktu perjalanan yang ditentukan saat tegangan bus turun dari 400 menjadi 300 V setelah pemadaman. Secara matematis, PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) atau C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634nf pada peringkat 450 V.
Jika Kapasitor al-elektrolitik digunakan, maka persamaan menghasilkan volume yang diperlukan sekitar 52 cm3 (mis., 3 dalam 3), mis., Jika TDK-EPCOS Seri B43508 digunakan. Sebaliknya, kapasitor film akan sangat besar secara tidak praktis, membutuhkan mungkin 15 secara paralel pada volume total 1.500 cm3 (mis., 91 dalam 3) jika seri TDK-EPCOS B32678 digunakan. Perbedaannya jelas, tetapi pilihan akan berubah jika kapasitor diperlukan untuk mengontrol tegangan riak pada garis DC. Ambil contoh yang sama di mana tegangan bus 400-V berasal dari baterai, sehingga penahanan tidak diperlukan. Namun, ada kebutuhan untuk mengurangi efek riak menjadi, mis., 4 V root rata-rata kuadrat (RMS) dari 80 A RMS pulsa arus frekuensi tinggi yang diambil oleh konverter hilir pada 20 kHz. Ini bisa berupa aplikasi kendaraan listrik, dan kapasitansi yang diperlukan dapat diperkirakan dari C = IRMS/VRIPPE.2.π.F = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF pada peringkat 450 V.
Gambar 6 Kapasitor untuk naik (tahan). HVDC: DC tegangan tinggi.
Elektrolitik pada 180 μF, 450 V mungkin memiliki peringkat arus antara hanya sekitar 3,5 rms pada 60 ° C, termasuk koreksi frekuensi (seri EPCOS B43508). Dengan demikian, untuk 80 A, 23 kapasitor akan diperlukan secara paralel, menghasilkan 4.140 μF yang tidak perlu dengan volume total 1.200 cm3 (mis., 73 dalam 3). Ini sesuai dengan peringkat riprent ripple-current 20 mA/µf yang terkadang untuk elektrolitik. Jika kapasitor film dipertimbangkan, sekarang, hanya empat secara paralel dari EPCOS B32678 Seri Berikan peringkat Riak-Arus Ripple 132-A dalam volume 402 cm3 (mis., 24,5 dalam 3). Jika suhu terbatas, mis., Kurang dari 70 ° C ambien, maka ukuran kasus yang lebih kecil masih dapat dipilih. Bahkan jika kita memilih elektrolitik dengan alasan lain, kelebihan kapasitansi dapat menyebabkan masalah lain, seperti mengendalikan energi dalam arus masuk. Tentu saja, jika tegangan berlebihan dapat terjadi, maka kapasitor film akan jauh lebih kuat dalam aplikasi. Contohnya adalah dalam traksi cahaya, di mana koneksi intermiten ke catenary menyebabkan tegangan berlebih pada koneksi DC-Link.
Contoh ini adalah tipikal dari banyak lingkungan saat ini, seperti pada sistem catu daya yang tidak mengganggu, tenaga angin dan tenaga surya, pengelasan, dan inverter yang terikat jaringan. Perbedaan biaya antara film dan elektrolitik AL dapat diringkas dalam angka yang diterbitkan pada 2013 [2]. Biaya khas untuk bus DC dari 440 VAC yang diperbaiki dapat ditemukan pada Tabel 1.
Aplikasi lain adalah untuk decoupling dan sirkuit snubber di konverter atau inverter. Di sini, konstruksi film/foil harus digunakan jika ukurannya diizinkan, karena jenis metalisasi memerlukan desain khusus dan langkah -langkah manufaktur. Sebagai decoupling, kapasitor ditempatkan di seluruh bus DC untuk menyediakan jalur induktansi rendah untuk mengedarkan arus frekuensi tinggi, biasanya 1 μF per 100 A beralih. Tanpa kapasitor, arus bersirkulasi melalui loop induktansi yang lebih tinggi, menyebabkan tegangan transien (VTR) sesuai dengan yang berikut: vtr = -ldi/dt.
Dengan perubahan saat ini 1.000 A/μs yang dimungkinkan, hanya beberapa nanohenri induktansi dapat menghasilkan tegangan yang signifikan. Jejak papan sirkuit cetak dapat memiliki induktansi sekitar 1 NH/mm, dengan memberikan, oleh karena itu, sekitar 1 vtr/mm dalam situasi ini. Dengan demikian, penting bagi koneksi untuk sesingkat mungkin. Untuk mengontrol DV/ DT di seluruh sakelar, kapasitor dan jaringan resistor/ dioda ditempatkan secara paralel dengan IGBT atau MOSFET (Gambar 7).
Ini memperlambat dering, mengontrol gangguan elektromagnetik (EMI), dan mencegah switching palsu karena tinggi
Gambar 7 Sakelar snubbing. Gambar 8 Kapasitor film sebagai penindasan EMI. Gambar 9 Kapasitor film dalam penyaringan EMC drive motor.
DV/DT, terutama di IGBT. Titik awal sering membuat kapasitansi snubber kira -kira dua kali jumlah kapasitansi output sakelar dan kapasitansi pemasangan, dan resistor kemudian dipilih untuk secara kritis membasahi dering apa pun. Pendekatan desain yang lebih optimal telah diformulasikan.
Kapasitor polypropylene yang dinilai keselamatan sering digunakan di seluruh saluran listrik untuk mengurangi EMI mode diferensial (Gambar 8). Kemampuan mereka untuk menahan tegangan berlebihan dan sewasa sendiri sangat penting. Kapasitor dalam posisi ini dinilai masing-masing X1 atau X2, yang dapat menahan transien 4- dan 2,5-kV. Nilai -nilai yang digunakan sering dalam microfarads untuk mencapai kepatuhan dengan standar kompatibilitas elektromagnetik khas (EMC) pada tingkat daya tinggi. Kapasitor tipe-Y film juga dapat digunakan dalam posisi garis-ke-bumi untuk melemahkan noise mode umum di mana nilai pacitansi CA terbatas karena pertimbangan arus bocor (Gambar 8). Versi Y1 dan Y2 tersedia untuk peringkat transien 8- dan 5-kV, masing-masing. Induktansi koneksi rendah kapasitor film Juga membantu menjaga resonansi diri tetap tinggi.
Aplikasi yang meningkat untuk kapasitor nonpolarisasi adalah untuk membentuk filter low-pass dengan induktor seri untuk melemahkan harmonik frekuensi tinggi dalam output AC drive dan inverter (Gambar 9). Kapasitor polypropylene sering digunakan untuk keandalannya, peringkat saluran riak tinggi, dan efisiensi volumetrik yang baik dalam aplikasi, dan induktor dan kapasitor sering dikemas bersama dalam satu modul. Beban seperti motor seringkali jauh dari unit drive, dan filter digunakan untuk memungkinkan sistem memenuhi persyaratan EMC dan mengurangi tekanan pada pemasangan kabel dan motor dari level DV/DT yang berlebihan.
