Beragamnya koleksi jenis kapasitor tidak banyak berubah selama beberapa tahun terakhir, namun penerapannya pasti berubah. Pada artikel ini, kita melihat bagaimana kapasitor digunakan dalam elektronika daya dan membandingkan teknologi yang tersedia. Kapasitor film menunjukkan keunggulan mereka dalam aplikasi yang akan datang seperti kendaraan listrik , konversi tenaga energi alternatif, dan inverter di drive . Namun elektrolit aluminium (Al) tetap penting ketika kepadatan penyimpanan energi menjadi persyaratan utama.
Kapasitor Elektrolitik atau Film?
Sangat mudah untuk mengabaikannya Al elektrolitik seperti teknologi masa lalu, namun perbedaan performa antara keduanya dan film alternatif tidak selalu begitu jelas. Dalam hal kepadatan energi yang tersimpan, yaitu joule/sentimeter kubik, kapasitor ini masih lebih unggul dari kapasitor film standar, meskipun varian eksotik seperti kapasitor film berkristal tinggi tersegmentasi polipropilena yang dimetalisasi sebanding. Selain itu, elektrolit Al mempertahankan peringkat arus riaknya pada suhu yang lebih tinggi dengan lebih baik dibandingkan kapasitor film pesaing. Bahkan masalah masa pakai dan keandalan yang dirasakan tidak begitu signifikan ketika elektrolitik Al diturunkan secara tepat. Elektrolitik Al masih sangat menarik dimana diperlukan perjalanan melalui tegangan bus DC pada pemadaman listrik tanpa cadangan baterai. Misalnya, ketika biaya merupakan faktor pendorong, sangat sulit untuk mengantisipasi bahwa kapasitor film akan mengambil alih kapasitor massal pada pasokan listrik off-line komoditas.
Film Menang dalam Banyak Hal
Kapasitor film mempunyai beberapa keuntungan yang signifikan dibandingkan kapasitor lainnya: nilai resistansi seri ekuivalen (ESR) bisa jauh lebih rendah, sehingga menghasilkan penanganan arus riak yang jauh lebih baik. Peringkat tegangan lonjakan juga lebih unggul, dan, mungkin yang paling penting, kapasitor film dapat pulih sendiri
Gambar 1 Karakteristik film kapasitor.
Gambar 2 Variasi DF dengan suhu untuk film polipropilen.
Setelah stres, menghasilkan keandalan dan masa pakai sistem yang lebih baik. Namun, kemampuan penyembuhan diri bergantung pada tingkat stres, nilai puncak, dan tingkat pengulangan. Selain itu, kegagalan besar masih mungkin terjadi akibat pengendapan karbon dan kerusakan tambahan dari busur plasma yang dihasilkan selama penyelesaian kesalahan. Karakteristik ini cocok dengan penerapan konversi daya modern pada kendaraan listrik dan sistem energi alternatif di mana tidak diperlukan penundaan saat pemadaman listrik atau puncak riak frekuensi saluran. Persyaratan utamanya adalah kemampuan untuk mencari dan menenggelamkan arus riak frekuensi tinggi yang mungkin mencapai ratusan bahkan ribuan ampli dengan tetap menjaga kerugian yang dapat ditoleransi dan keandalan yang tinggi. Ada juga pergerakan ke tegangan bus yang lebih tinggi untuk mengurangi kerugian ohmik pada tingkat daya tertentu. Ini berarti sambungan seri elektrolitik Al dengan nilai tegangan maksimum bawaannya sekitar 550 V. Untuk menghindari ketidakseimbangan tegangan, mungkin perlu memilih kapasitor mahal dengan nilai yang sesuai dan menggunakan resistor penyeimbang tegangan dengan rugi-rugi dan biaya yang terkait.
Persoalan keandalannya tidak langsung, meskipun, dalam kondisi terkendali, elektrolit sebanding dengan film listrik, yang berarti bahwa mereka biasanya hanya mampu menahan 20% tegangan lebih sebelum terjadi kerusakan. Sebaliknya, kapasitor film mungkin dapat menahan tegangan lebih 100% untuk jangka waktu terbatas. Jika terjadi kegagalan, elektrolitik dapat mengalami hubungan pendek dan meledak, menghancurkan seluruh komponen seri/paralel dengan pelepasan elektrolit yang berbahaya. Kapasitor film juga dapat menyembuhkan dirinya sendiri, namun keandalan sistem dalam kondisi otentik dengan tekanan sesekali bisa sangat berbeda antara kedua jenis tersebut. Seperti halnya semua komponen, tingkat kelembapan yang tinggi dapat menurunkan kinerja kapasitor film, dan, untuk keandalan terbaik, hal ini harus dikontrol dengan baik. Pembeda praktis lainnya adalah kemudahan pemasangan kapasitor film—kapasitor ini tersedia dalam wadah kotak persegi panjang berinsulasi dan efisien secara volumetrik dengan berbagai opsi sambungan listrik, mulai dari terminal sekrup hingga lug, faston, dan batang bus, dibandingkan dengan kaleng logam bundar pada umumnya. elektrolitik. Film dielektrik nonpolar memberikan pemasangan anti balik dan memungkinkan penggunaan dalam aplikasi di mana ac diterapkan, seperti dalam pemfilteran keluaran inverter.
Tentu saja, ada banyak jenis dielektrik kapasitor film yang tersedia, dan Gambar 1 memberikan ringkasan kinerja komparatifnya [1]. Film polipropilen adalah pemenang keseluruhan ketika kerugian dan keandalan di bawah tekanan menjadi pertimbangan utama karena DF yang rendah dan kerusakan dielektrik yang tinggi per satuan ketebalan. Film lain mungkin memiliki peringkat suhu dan kapasitansi/volume yang lebih baik, dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi dan ketersediaan film yang lebih tipis, dan, pada tegangan rendah, poliester masih umum digunakan. DF sangat penting dan didefinisikan sebagai ESR/reaktansi kapasitif, dan biasanya ditentukan pada 1 kHz dan 25 °C. DF yang rendah dibandingkan dengan dielektrik lainnya berarti pemanasan yang lebih rendah dan merupakan cara untuk membandingkan kerugian per mikrofarad. DF sedikit bervariasi menurut frekuensi dan suhu, tetapi polipropilen memiliki kinerja terbaik. Gambar 2 dan 3 menunjukkan plot tipikal.
Ada dua tipe utama konstruksi kapasitor film yang menggunakan foil dan metalisasi yang diendapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Foil logam yang tebalnya kira-kira 5 nm biasanya digunakan di antara lapisan dielektrik karena kemampuan arus puncaknya yang tinggi, namun tidak dapat digunakan secara mandiri. -sembuh setelah menahan stres. Film metalisasi dibentuk melalui ruang hampa dan biasanya dengan mendepositkan Al pada suhu 1.200°C ke dalam film hingga ketebalan sekitar 20–50 nm dengan suhu film berkisar antara −25 hingga −35 °C,
Gambar 3 Variasi DF dengan frekuensi untuk film polipropilen.
Gambar 4 Konstruksi kapasitor film
meskipun paduan seng (Zn) dan Al-Zn juga dapat digunakan. Proses ini memungkinkan penyembuhan diri, di mana kerusakan pada titik mana pun di seluruh dielektrik menyebabkan pemanasan lokal yang intens, mungkin hingga 6.000 °C, yang menyebabkan terbentuknya plasma. Metalisasi di sekitar saluran kerusakan diuapkan, dengan ekspansi cepat plasma yang memadamkan pelepasan, yang mengisolasi cacat dan membuat kapasitor berfungsi penuh. Pengurangan kapasitansi minimal tetapi akan bertambah seiring berjalannya waktu, menjadikannya indikator yang berguna untuk mengetahui penuaan komponen.
Metode umum untuk peningkatan keandalan lebih lanjut adalah dengan mengelompokkan metalisasi pada film menjadi beberapa area, mungkin jutaan, dengan gerbang sempit yang menyalurkan arus ke dalam segmen dan bertindak sebagai sekering untuk beban berlebih. Penyempitan jalur arus total ke metalisasi memang mengurangi penanganan arus puncak komponen, namun margin keselamatan ekstra yang diperkenalkan memungkinkan kapasitor diberi nilai berguna pada tegangan yang lebih tinggi.
Polipropilena modern memiliki kekuatan dielektrik sekitar 650 V/µm dan tersedia dalam ketebalan sekitar 1,9 µm ke atas, sehingga peringkat tegangan kapasitor hingga beberapa kilovolt secara rutin dapat dicapai, dan beberapa bagian bahkan diberi peringkat 100 kV. Namun pada tegangan yang lebih tinggi, fenomena peluahan sebagian (PD) yang disebut juga pelepasan korona menjadi salah satu faktornya. PD adalah kerusakan mikrovoid tegangan tinggi di sebagian besar material atau di celah udara di antara lapisan material, menyebabkan korsleting parsial pada total jalur isolasi. PD (corona debit) meninggalkan sedikit jejak karbon; efek awalnya tidak terlalu terlihat tetapi dapat terakumulasi seiring berjalannya waktu hingga terjadi kerusakan besar dan tiba-tiba pada insulasi yang melemah dan mengandung jejak karbon. Efeknya dijelaskan oleh kurva Paschen, ditunjukkan pada Gambar 5, dan memiliki karakteristik tegangan awal dan pemadaman. Gambar tersebut menunjukkan dua contoh kekuatan medan. Titik-titik di atas kurva Paschen, A, kemungkinan besar akan menghasilkan penembusan PD.
Gambar 5 Kurva Paschen dan contoh kuat medan listrik.
Untuk mengatasi efek tersebut, kapasitor dengan tegangan sangat tinggi diresapi oli untuk mengecualikan udara dari antarmuka lapisan. Jenis tegangan rendah cenderung diisi resin, yang juga membantu ketahanan mekanis. Solusi lain adalah dengan membentuk kapasitor seri dalam wadah tunggal, yang secara efektif mengurangi penurunan tegangan pada masing-masing kapasitor hingga jauh di bawah tegangan awal. PD adalah efek yang disebabkan oleh intensitas medan listrik, sehingga meningkatkan ketebalan dielektrik untuk menurunkan gradien tegangan selalu dimungkinkan tetapi meningkatkan ukuran keseluruhan kapasitor. Ada desain kapasitor yang menggabungkan foil dan metalisasi untuk memberikan kompromi antara kemampuan arus puncak dan penyembuhan diri. Metalisasi juga dapat dinilai dari tepi kapasitor sehingga material yang lebih tebal di tepinya memberikan penanganan arus yang lebih baik dan terminasi yang lebih kuat dengan menyolder atau mengelas, dan penilaian dapat dilakukan secara kontinu atau bertahap.
Mungkin berguna untuk mengambil langkah mundur dan mengamati bagaimana penggunaan kapasitor Al-elektrolitik bermanfaat. Salah satu contohnya adalah konverter off-line 1 kW dengan efisiensi 90% dengan ujung depan yang telah dikoreksi faktor daya, memerlukan perjalanan selama 20 ms, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Biasanya konverter ini memiliki bus DC internal dengan tegangan nominal, Vn, sebesar 400 V dan tegangan drop-out, Vd, sebesar 300 V, di bawah ini regulasi keluaran hilang.
Kapasitor curah C1 menyuplai energi untuk mempertahankan daya keluaran 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 rating 450 V.
Jika Kapasitor al-elektrolit digunakan, maka persamaan tersebut menghasilkan volume yang dibutuhkan kira-kira 52 cm3 (yaitu, 3 dalam 3 ), misalnya, jika TDK-EPCOS Seri B43508 digunakan. Sebaliknya, kapasitor film berukuran sangat besar, mungkin memerlukan 15 kapasitor secara paralel dengan volume total 1.500 cm3 (yaitu 91 in 3 ) jika seri TDK-EPCOS B32678 digunakan. Perbedaannya jelas, namun pilihan akan berubah jika kapasitor diperlukan untuk mengontrol tegangan riak pada saluran DC. Ambil contoh serupa di mana tegangan bus 400 V berasal dari baterai, sehingga tidak diperlukan penundaan. Namun, ada kebutuhan untuk mengurangi efek riak menjadi, misalnya, 4 V root mean squared (rms) dari pulsa arus frekuensi tinggi 80 A rms yang diambil oleh konverter hilir pada 20 kHz. Ini bisa menjadi aplikasi kendaraan listrik, dan kapasitansi yang dibutuhkan dapat diperkirakan dari C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF pada rating 450 V.
Gambar 6 Kapasitor untuk dilalui (tahan). HVDC: DC tegangan tinggi.
Elektrolit pada 180 µF, 450 V mungkin memiliki nilai arus riak hanya sekitar 3,5 A rms pada 60 °C, termasuk koreksi frekuensi (seri EPCOS B43508). Jadi, untuk 80 A, diperlukan 23 kapasitor secara paralel, sehingga menghasilkan 4.140 µF yang tidak perlu dengan volume total 1.200 cm3 (yaitu, 73 in 3). Hal ini sesuai dengan nilai arus riak 20 mA/µF yang kadang-kadang dikutip untuk elektrolitik. Jika kapasitor film dipertimbangkan, sekarang, hanya empat kapasitor yang paralel dari kapasitor film EPCOS B32678 seri ini memberikan peringkat arus riak rms 132-A dalam volume 402 cm3 (yaitu, 24,5 dalam 3 ). Jika suhu dibatasi, misalnya kurang dari 70°C, maka ukuran casing yang lebih kecil tetap dapat dipilih. Bahkan jika kita memilih elektrolitik karena alasan lain, kelebihan kapasitansi dapat menyebabkan masalah lain, seperti pengendalian energi pada arus masuk. Tentu saja, jika tegangan lebih transien dapat terjadi, maka kapasitor film akan jauh lebih kuat dalam penerapannya. Contohnya adalah pada traksi ringan, dimana sambungan terputus-putus ke catenary menyebabkan tegangan lebih pada sambungan dc-link.
Contoh ini umum terjadi di banyak lingkungan saat ini, seperti sistem pasokan listrik yang tidak pernah terputus, tenaga angin dan surya, pengelasan, dan inverter yang terikat pada jaringan. Perbedaan biaya antara film dan elektrolit Al dapat diringkas dalam angka yang dipublikasikan pada tahun 2013 [2]. Biaya tipikal untuk bus dc dari 440 Vac yang diperbaiki dapat dilihat pada Tabel 1.
Aplikasi lainnya adalah untuk decoupling dan sirkuit snubber pada konverter atau inverter. Di sini, konstruksi film/foil harus digunakan jika ukurannya memungkinkan, karena jenis metalisasi memerlukan langkah desain dan pembuatan khusus. Sebagai decoupling, kapasitor ditempatkan melintasi bus dc untuk menyediakan jalur induktansi rendah untuk mensirkulasikan arus frekuensi tinggi, biasanya 1 µF per 100 A yang diaktifkan. Tanpa kapasitor, arus bersirkulasi melalui loop induktansi yang lebih tinggi, menyebabkan tegangan transien (Vtr) sesuai dengan yang berikut: Vtr =-Ldi/dt.
Dengan perubahan arus sebesar 1.000 A/µs, hanya beberapa nanohenry induktansi yang dapat menghasilkan tegangan yang signifikan. Jejak papan sirkuit tercetak dapat memiliki induktansi sekitar 1 nH/mm, oleh karena itu, memberikan kira-kira 1 Vtr/mm dalam situasi ini. Oleh karena itu, penting untuk membuat koneksi sesingkat mungkin. Untuk mengontrol dV/dt pada saklar, kapasitor dan jaringan resistor/dioda ditempatkan secara paralel dengan sebuah IGBT atau MOSFET (Gambar 7).
Ini memperlambat dering, mengontrol interferensi elektromagnetik (EMI), dan mencegah peralihan palsu karena frekuensi tinggi
Gambar 7 Saklarnya terpeleset. Gambar 8 Kapasitor film sebagai penekan EMI. Gambar 9 Kapasitor film dalam penyaringan EMC penggerak motor.
dV/dt, khususnya di IGBT. Titik awalnya sering kali membuat kapasitansi snubber kira-kira dua kali lipat jumlah kapasitansi keluaran sakelar dan kapasitansi pemasangan, dan resistor kemudian dipilih untuk meredam setiap dering secara kritis. Pendekatan desain yang lebih optimal telah dirumuskan.
Kapasitor polipropilena dengan tingkat keamanan sering digunakan pada saluran listrik untuk mengurangi EMI mode diferensial (Gambar 8). Kemampuan mereka untuk menahan tegangan lebih sementara dan menyembuhkan diri sendiri sangatlah penting. Kapasitor pada posisi ini diberi peringkat X1 atau X2, yang masing-masing dapat menahan transien 4 dan 2,5 kV. Nilai yang digunakan sering kali dalam mikrofarad untuk mencapai kepatuhan terhadap standar kompatibilitas elektromagnetik (EMC) pada tingkat daya tinggi. Kapasitor tipe Y film juga dapat digunakan pada posisi saluran ke bumi untuk melemahkan kebisingan mode umum di mana nilai kapasitansi terbatas karena pertimbangan arus bocor (Gambar 8). Versi Y1 dan Y2 masing-masing tersedia untuk peringkat transien 8 dan 5 kV. Induktansi koneksi rendah dari kapasitor film juga membantu menjaga resonansi diri tetap tinggi.
Penerapan yang semakin meningkat untuk kapasitor nonpolarisasi adalah dengan membentuk filter low-pass dengan induktor seri untuk melemahkan harmonik frekuensi tinggi pada keluaran ac penggerak dan inverter (Gambar 9). Kapasitor polipropilen sering digunakan karena keandalannya, peringkat arus riak yang tinggi, dan efisiensi volumetrik yang baik dalam penerapannya, dan induktor serta kapasitor sering kali dikemas bersama dalam satu modul. Beban seperti motor seringkali jauh dari unit penggerak, dan filter digunakan untuk memungkinkan sistem memenuhi persyaratan EMC dan mengurangi tekanan pada kabel dan motor dari tingkat dV/dt yang berlebihan.
