Nedopusťte, aby se ve vašich návrzích měniče výkonu stal z kondenzátoru DC-Link slabý článek

Filtrační kondenzátory (DC-Link) jsou klíčovou součástí mnoha aplikací včetně třífázových invertorů pro pohony motorů elektrických vozidel (EV), invertorů fotovoltaických a větrných elektráren, pohonů průmyslových motorů, vestavěných nabíječek do aut a napájecích zdrojů pro lékařské nebo průmyslové vybavení. Je důležité držet krok s nejnovějším vývojem. Pokud nejsou kondenzátory DC-Link správně implementovány, mohou se stát „slabým článkem“, který snižuje hustotu energie a spolehlivost.

Na rozdíl od polovodičových technologií s rychlými pokroky se technologie kondenzátorů, bohužel pro konstruktéry, vyvíjejí jen pomalu, a pokrok tak lze přehlédnout. Kromě této výzvy se různé technologie kondenzátorů vyvíjejí různou rychlostí: Hliníkové elektrolytické jsou vyspělejší a pomaleji se vyvíjející technologií, zatímco pokrok u filmových a vícevrstvých keramických kondenzátorů (MLCC) probíhá rychleji. Hliníkové elektrolytické kondenzátory typicky nabízejí větší kapacitu na jednotkový objem a vyšší hustoty energií ve srovnání s filmovými kondenzátory a MLCC. Ale výhody a nevýhody nejsou jasně dané.

Například upgrade výkonových spínačů na zařízení s vyššími frekvencemi, jako je výměna tranzistorů IGBT za tranzistory MOSFET nebo výměna křemíkových zařízení za výkonové spínače se širokým zakázaným pásem (WBG), může být dobrou příležitostí k přehodnocení dřívější volby kondenzátorů DC-Link. Jednotlivé technologie kondenzátorů DC-Link nabízejí jedinečné sady funkcí (obrázek 1).

Obrázek 1: Srovnání kondenzátorů DC-Link – napětí a kapacita u hlavních technologií. Kondenzátory CeraLink od společnosti TDK jsou kondenzátory MLCC optimalizovanými pro aplikace DC-Link. (Zdroj obrázku: TDK Corporation)

Nejběžnějšími kondenzátory DC-Link jsou hliníkové elektrolytické. Nabízejí kombinaci vysoké hustoty energie a nízké ceny. Často se používají pro průmyslové pohony motorů, zdroje nepřerušeného napájení (UPS) a řadu spotřebitelských, komerčních a průmyslových aplikací. Mají však relativně krátkou životnost a nízkofrekvenční provoz a právě to může elektrolytické kondenzátory ze zvažování pro náročnější aplikace vyloučit.

Jako prvek DC-Link v náročnějších aplikacích, jako jsou trakční pohony EV, lze často nalézt filmové kondenzátory. Filmové kondenzátory mají vyšší spolehlivost, schopnost vedení vysokých proudů, nižší ekvivalentní sériový odpor (ESR) a v porovnání s -lytickými kondenzátory je lze použít při vyšších frekvencích. Avšak stejně jako elektrolytické mají i filmové kondenzátory relativně nízké provozní teploty kolem 105 °C.

Třetí možností jsou kondenzátory MLCC. Tyto kondenzátory mají vyšší efektivní hodnotu (rms) jmenovitého proudu a mohou odolat vyšším teplotám než ostatní kondenzátory. Jejich stinnou stránkou je, že pro danou hustotu energie může být nutný relativně vysoký počet MLCC a je proto náročné implementovat uspořádání kondenzátoru, které zajistí rovnoměrnou distribuci proudu. Kromě toho mohou být s MLCC spojené problémy se spolehlivostí – keramický dielektrický materiál je pevný a vlivem mechanického nebo teplotního namáhání může popraskat, čímž dojde ke zkratu mezi svorkami.

Je zřejmé, že „dokonalá“ technologie kondenzátorů pro všechny aplikace DC-Link neexistuje. K tomu, abyste došli k nejlepšímu řešení pro daný projekt, musíte sledovat nejnovější technologické pokroky a vývoj produktů. Pojďme tedy zvážit některé výhody a nevýhody a funkce reprezentativních typů zařízení včetně hliníkového elektrolytického od společnosti Cornell Dubilier Electronics, filmového od společnosti KEMET a MLCC od společnosti TDK Corporation.

Elektrolytické kondenzátory pro konstrukce s velkým zvlněním

U aplikací s vysokým proudovým zvlněním můžete použít řadu 381LR od společnosti Cornell Dubilier Electronics, která nabízí jmenovité hodnoty od 200 do 450 V DC a 56 až 2 200 µF a může zvládnout přinejmenším o 25 % větší zvlněný proud ve srovnání se standardními nacvakávacími elektrolytickými kondenzátory 105 °C (obrázek 2). Klíčem k nízkým hodnotám ESR, které těmto kondenzátorům poskytují jejich vlastnosti týkající se zvlněného proudu, jsou nedávné pokroky ve složení elektrolytu. Znamená to, že v pohonech motorů, zdrojích nepřerušovaného napájení (UPS) a dalších aplikacích s vysokým zvlněným proudem, je třeba méně kondenzátorů.

Obrázek 2: Hliníkové elektrolytické kondenzátory 381LR nabízejí jmenovité hodnoty 200 až 450 V DC a 56 až 2 200 µF. (Zdroj obrázku: Jeff Shepard, na základě materiálu od společnosti Cornell Dubilier Electronics)

Filmové kondenzátory pro trakční pohony automobilů

Pokud navrhujete systémy pro náročná prostředí, například trakční pohony automobilů, jsou dobrou volbou filmové kondenzátory DC-Link C4AK společnosti KEMET s životností 4 000 hodin při 125 °C a 1 000 hodin při 135 °C (obrázek 3). Tato zařízení navržená pro kompaktní návrhy systémů mají formát radiálního boxu pro montáž na desku plošných spojů s nízkým profilem a ke zvládnutí špičkových a zvlněných proudů umožňují použít méně kondenzátorů v paralelním zapojení.

Obrázek 3: Řada C4AK filmových kondenzátorů DC-Link společnosti KEMET nabízí životnost 4 000 hodin při 125 °C a 1 000 hodin při 135 °C. (Zdroj obrázku: společnost KEMET)

Kondenzátory DC-Link C4AK jsou navrženy k používání v měničích výkonu vysokofrekvenčních systémů EV s vysokým proudem, ve fotovoltaických invertorech a invertorech palivových článků, systémech skladování energie, v bezdrátovém přenosu napájení a v jiných průmyslových aplikacích.

MLCC pro rychlé polovodiče WBG

Při využití technologie WBG může být vhodným řešením řada CeraLink FA (flexibilní sestava) od společnosti TDK Corporation. Skupina zahrnuje hodnoty kapacity od 0,25 µF až do 10 µF a jmenovitá napětí mezi 500 a 900 V DC. Například model B58035U9255M001 má jmenovité hodnoty 2,5 µF a 900 V (obrázek 4). Různá zařízení řady CeraLink jsou optimalizována pro použití jako kondenzátory DC-Link s funkcemi, mezi které patří:

• hustoty kapacity od 2 do 5 µF na cm³,
• nízká vlastní indukčnost 2,5 až 4 nH,
• možnost umístění velmi blízko k polovodičovému výkonovému zařízení s přípustným provozem až při 150 °C (po omezenou dobu),
• žádné omezení rychlosti přeběhu napětí (dV/dt).

Obrázek 4: Model B58035U9255M001 je součástí řady CeraLink FA společnosti TDK Corporation se stohem MLCC 2,5 µF, 900 V. (Zdroj obrázku: TDK Corporation)

Kondenzátory řady FA mají šířku 9,1 mm, výšku 7,4 mm a jsou dostupné v délkách 6,3 mm, 9,3 mm a 30,3 mm. Zařízení nabízejí zvlněný proud až 47 A rms.

Závěr

Určení kondenzátoru DC-Link je důležitou součástí navrhování měničů výkonu. Jak je zde ukázáno, je k dispozici široká řada možností, které se neustále mění. Špatný výběr může vést k měniči výkonu, které nebude splňovat očekávání nebo který bude příliš drahý. Je nutné neustále sledovat nejnovější vývoj v technologiích a produktech DC-Link, abyste se špatnému rozhodnutí vyhnuli.