W tym tygodniu przeanalizujemy zastosowanie kondensatorów foliowych zamiast elektrolitycznych w kondensatorach DC-link. Artykuł zostanie podzielony na dwie części.

Wraz z rozwojem nowego przemysłu energetycznego, technologia zmiennego prądu jest powszechnie stosowana, a kondensatory DC-Link są szczególnie ważne jako jeden z kluczowych elementów do wyboru. Kondensatory DC-Link w filtrach DC zazwyczaj wymagają dużej pojemności, przetwarzania wysokiego prądu i wysokiego napięcia itp. Porównując charakterystyki kondensatorów foliowych i elektrolitycznych oraz analizując ich zastosowania, niniejszy artykuł stwierdza, że ​​w projektach obwodów wymagających wysokiego napięcia roboczego, wysokiego prądu tętnienia (Irms), przepięć, odporności na odwrócenie polaryzacji napięcia, wysokiego prądu rozruchowego (dV/dt) i długiej żywotności, kondensatory foliowe staną się w przyszłości trendem dla projektantów, którzy będą zastępować kondensatory elektrolityczne pod względem wydajności i ceny.

Wraz z wprowadzeniem nowych polityk energetycznych i rozwojem przemysłu energetycznego w różnych krajach, rozwój powiązanych branż w tej dziedzinie przyniósł nowe możliwości. Kondensatory, jako kluczowy element przemysłu związanego z produkcją, również zyskały nowe możliwości rozwoju. W nowych źródłach energii i pojazdach energetycznych kondensatory są kluczowymi elementami w systemach sterowania energią, zarządzania energią, falownikach mocy i układach konwersji DC-AC, które decydują o żywotności przetwornicy. Jednak w falowniku prąd stały jest wykorzystywany jako źródło zasilania wejściowego, które jest podłączone do falownika za pomocą magistrali DC, zwanej DC-Link lub DC Support. Ponieważ falownik otrzymuje wysokie wartości RMS i szczytowe prądy impulsowe z DC-Link, generuje on wysokie napięcie impulsowe w DC-Link, co utrudnia falownikowi jego wytrzymywanie. Dlatego kondensator DC-Link jest niezbędny do absorbowania wysokiego prądu impulsowego z DC-Link i zapobiegania wahaniom napięcia impulsowego falownika, aby mieścił się on w dopuszczalnym zakresie; z drugiej strony, zapobiega on również wpływowi przepięć i przepięć przejściowych na falowniki w DC-Link.

Schematyczne przedstawienie zastosowania kondensatorów DC-Link w nowych źródłach energii (w tym elektrowniach wiatrowych i fotowoltaicznych) oraz układach napędowych pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii przedstawiono na rysunkach 1 i 2.

Rysunek 1 przedstawia topologię układu przetwornicy energii wiatrowej, gdzie C1 to łącze DC-Link (zwykle zintegrowane z modułem), C2 to absorpcja IGBT, C3 to filtrowanie LC (strona sieci), a C4 to filtrowanie DV/DT po stronie wirnika. Rysunek 2 przedstawia technologię układu przetwornicy energii fotowoltaicznej, gdzie C1 to filtrowanie DC, C2 to filtrowanie EMI, C4 to łącze DC, C6 to filtrowanie LC (strona sieci), C3 to filtrowanie DC, a C5 to absorpcja IPM/IGBT. Rysunek 3 przedstawia główny układ napędowy silnika w nowym systemie pojazdu energetycznego, gdzie C3 to łącze DC, a C4 to kondensator absorpcyjny IGBT.

W wyżej wymienionych nowych zastosowaniach energetycznych kondensatory DC-Link, jako kluczowe urządzenia, są wymagane dla zapewnienia wysokiej niezawodności i długiej żywotności w systemach energetyki wiatrowej, fotowoltaicznej i pojazdach nowej generacji, dlatego ich dobór jest szczególnie ważny. Poniżej przedstawiono porównanie charakterystyk kondensatorów foliowych i elektrolitycznych oraz ich analizę w zastosowaniach kondensatorów DC-Link.

1. Porównanie funkcji

1.1 Kondensatory foliowe

Najpierw przedstawiono zasadę technologii metalizacji warstwowej: odpowiednio cienka warstwa metalu jest odparowywana na powierzchnię nośnika cienkowarstwowego. W przypadku defektu w nośniku, warstwa ta jest w stanie odparować, izolując w ten sposób uszkodzone miejsce i zapewniając mu ochronę – zjawisko to znane jest jako samonaprawianie.

Rysunek 4 przedstawia zasadę metalizacji, w której cienkowarstwowy materiał jest wstępnie przygotowywany (np. korona) przed odparowaniem, aby umożliwić przyleganie cząsteczek metalu. Metal jest odparowywany poprzez rozpuszczenie w wysokiej temperaturze w próżni (1400–1600°C dla aluminium i 400–600°C dla cynku), a opary metalu kondensują się na powierzchni powłoki w momencie zetknięcia z schłodzoną powłoką (temperatura chłodzenia powłoki -25–35°C), tworząc w ten sposób powłokę metaliczną. Rozwój technologii metalizacji poprawił wytrzymałość dielektryczną powłoki dielektrycznej na jednostkę grubości, a konstrukcja kondensatora do zastosowań impulsowych lub wyładowczych w technologii suchej może osiągnąć napięcie 500 V/µm, a konstrukcja kondensatora do zastosowań w filtrach prądu stałego – 250 V/µm. Kondensator DC-Link należy do tej drugiej grupy i zgodnie z normą IEC61071 dotyczącą zastosowań w elektronice mocy kondensator jest w stanie wytrzymać poważniejsze udary napięciowe i osiągnąć napięcie dwukrotnie wyższe od znamionowego.

Dlatego użytkownik musi jedynie wziąć pod uwagę znamionowe napięcie robocze wymagane dla jego projektu. Kondensatory foliowe metalizowane charakteryzują się niskim ESR, co pozwala im wytrzymywać większe prądy tętniące; niższy ESL spełnia wymagania projektowe falowników dotyczące niskiej indukcyjności i redukuje efekt oscylacji przy częstotliwościach przełączania.

Jakość dielektryka foliowego, jakość powłoki metalizowanej, konstrukcja kondensatora oraz proces produkcyjny decydują o właściwościach samonaprawiających się kondensatorów metalizowanych. Dielektrykiem foliowym stosowanym w kondensatorach DC-Link jest głównie folia OPP.

Treść rozdziału 1.2 zostanie opublikowana w artykule za tydzień.