Nie pozwól, aby kondensator łącza prądu stałego był słabym ogniwem w Twoim projekcie przetwornicy mocy

Kondensatory łączy prądu stałego są kluczowym elementem wielu urządzeń, takich jak falowniki trójfazowe do napędów silników pojazdów elektrycznych (EV), przemienników fotowoltaicznych i wiatrowych, przemysłowych napędów silnikowych, samochodowych ładowarek wbudowanych oraz zasilaczy do zastosowań medycznych lub przemysłowych. Istotne jest, aby nadążać za najnowszymi osiągnięciami techniki. Nieprawidłowo użyte kondensatory łącza prądu stałego mogą okazać się „słabym ogniwem”, które obniża gęstość energii i zmniejsza niezawodność.

Niestety dla projektantów, w przeciwieństwie do technologii półprzewodników, która rozwija się w szybkim tempie, postępy w technologii kondensatorów są powolne i można je przeoczyć. Rozwój różnych technologii kondensatorów w różnym tempie tylko pogarsza sprawę: kondensatory aluminiowe elektrolityczne są bardziej dojrzałą i wolniej rozwijającą się technologią, podczas gdy kondensatory foliowe i wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) rozwijają się szybciej. Kondensatory aluminiowe elektrolityczne zazwyczaj oferują większą pojemność na jednostkę objętości i wyższą gęstość energii w porównaniu z kondensatorami foliowymi i wielowarstwowymi kondensatorami ceramicznymi (MLCC); ale występują różne kompromisy.

Na przykład modernizacja przełączników zasilania z użyciem urządzeń o wyższej częstotliwości - np. wymiana tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT) na tranzystory MOSFET lub wymiana urządzeń krzemowych na przełączniki zasilania o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) może być dobrym momentem na analizę dotychczasowo wybranych typów kondensatorów łącza prądu stałego. Każda technologia kondensatorów łącza prądu stałego oferuje unikalny zbiór możliwości (ilustracja 1).

Ilustracja 1: porównanie kondensatorów łącza prądu stałego ukazujące napięcie i pojemność głównych technologii. Kondensatory CeraLink firmy TDK to wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) zoptymalizowane pod kątem zastosowań w łączach prądu stałego. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Najczęściej spotykanymi kondensatorami łączy prądu stałego są kondensatory aluminiowe elektrolityczne (tzw. „elektrolityki”). Łączą one w sobie wysoką gęstość energii i niskie koszty. Są często używane w przemysłowych napędach silnikowych, zasilaczach awaryjnych (UPS) oraz w różnych zastosowaniach konsumenckich, komercyjnych i przemysłowych. Jednak ich stosunkowo krótka żywotność i praca na niskich częstotliwościach mogą zdyskwalifikować je w bardziej wymagających zastosowaniach.

W bardziej wymagających zastosowaniach, takich jak napędy trakcyjne w pojazdach elektrycznych, jako elementy łącza prądu stałego często wykorzystywane są kondensatory foliowe. Kondensatory foliowe są bardziej niezawodne, mają wysoką zdolność przewodzenia prądu, niższą równoważną rezystancję szeregową (ESR) i mogą być stosowane przy wyższych częstotliwościach w porównaniu z „elektrolitykami”. Ale podobnie jak „elektrolityki”, kondensatory foliowe mają stosunkowo niską temperaturę pracy, wynoszącą około 105°C.

Trzecią opcją są wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC). Kondensatory te mają wyższe średniokwadratowe (RMS) prądy znamionowe i mogą wytrzymać wyższe temperatury w porównaniu z innymi kondensatorami. Ich wadą jest to, że osiągnięcie określonej gęstości energii może wymagać dość dużej liczby kondensatorów, co utrudnia opracowanie takiego ich układu, który zapewniłby równomierny rozkład prądu. Ponadto wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) mogą stwarzać problemy z niezawodnością. Ceramiczny materiał dielektryczny jest sztywny i może pękać pod wpływem naprężeń mechanicznych lub termicznych, powodując zwarcie między zaciskami.

Oczywiste jest, że „idealna” technologia kondensatorów do wszystkich zastosowań łączy prądu stałego nie istnieje. Aby znaleźć najlepsze rozwiązanie projektowe dla danej sytuacji, trzeba zapoznać się z najnowszymi osiągnięciami technologicznymi i poziomem rozwoju produktów. Przyjrzyjmy się więc niektórym kompromisom i możliwościom reprezentatywnych typów urządzeń, w tym kondensatorów aluminiowych elektrolitycznych firmy Cornell Dubilier Electronics, foliowych firmy KEMET oraz wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) firmy TDK Corporation.

Rozwiązania elektrolityczne w projektach o wysokich tętnieniach

W przypadku zastosowań, gdzie występują wysokie składowe zmienne prądu tętniącego można użyć kondensatorów serii 381LR firmy Cornell Dubilier Electronics o napięciu znamionowym od 200 do 450V= i pojemności od 56 do 2200µF, które mogą obsługiwać składowe zmienne prądu tętniącego o co najmniej 25% większe w porównaniu ze standardowymi „elektrolitykami” do temperatury 105°C (ilustracja 2). Najnowsze osiągnięcia w składach elektrolitów są kluczem dla osiągnięcia niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR), która zapewnia tym kondensatorom odporność na składowe zmienne prądu tętniącego. Oznacza to, że w napędach silnikowych, zasilaczach awaryjnych (UPS) i innych zastosowaniach o wysokich składowych zmiennych prądu tętniącego potrzeba mniej kondensatorów.

Ilustracja 2: kondensatory aluminiowe elektrolityczne 381LR są przystosowane do napięć od 200 do 450V= i posiadają pojemność od 56 do 2200µF. (Źródło ilustracji: Jeff Shepard, na podstawie materiału źródłowego firmy Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatory foliowe do samochodowych napędów trakcyjnych

W przypadku projektowania układów do pracy w trudnych warunkach, jak np. samochodowe napędy trakcyjne, dobrym rozwiązaniem będą kondensatory foliowe łącza prądu stałego C4AK firmy KEMET o żywotności 4000 godzin w temperaturze 125°C i 1000 godzin w temperaturze 135°C (ilustracja 3). Urządzenia te zostały zaprojektowane z przeznaczeniem do kompaktowych układów i mają postać obudowy radialnej do montażu na płytce drukowanej o niskim profilu i umożliwiają użycie mniejszej liczby kondensatorów połączonych równolegle w celu obsługi prądów szczytowych i składowych zmiennych prądu tętniącego.

Ilustracja 3: seria kondensatorów foliowych łącza prądu stałego C4AK firmy KEMET o żywotności 4000 godzin w temperaturze 125°C i 1000 godzin w temperaturze 135°C. (Źródło ilustracji: KEMET)

Kondensatory łącza prądu stałego C4AK są przeznaczone do stosowania w wysokoczęstotliwościowych, wysokoprądowych przetwornicach mocy w pojazdach elektrycznych, przemiennikach fotowoltaicznych i ogniw paliwowych, systemach magazynowania energii, bezprzewodowym przesyłaniu energii i innych zastosowaniach przemysłowych.

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) do użycia z szybkimi półprzewodnikami o szerokiej przerwie energetycznej

W przypadku użycia półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, odpowiednim rozwiązaniem może być grupa produktów CeraLink FA (zespoły elastyczne) firmy TDK Corporation. Grupa ta obejmuje kondensatory o pojemności od 0,25µF do 10µF, o napięciu znamionowym od 500 do 900V=. Na przykład kondensator B58035U9255M001 ma pojemność znamionową 2,5µF i napięcie 900V (ilustracja 4). Różne urządzenia z grupy CeraLink są zoptymalizowane pod kątem użycia jako kondensatory łącza prądu stałego. Ich parametry to:

  • Gęstości pojemności od 2 do 5µF/cm³
  • Niska indukcyjność własna od 2,5 do 4nH
  • Możliwość umieszczenia bardzo blisko urządzenia półprzewodnikowego z możliwością pracy do temperatury 150°C (przez ograniczony czas)
  • Brak ograniczeń szybkości narastania napięcia (dV/dt)

Ilustracja 4: kondensator B58035U9255M001 jest jednym z wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) o pojemności 2,5µF i napięciu 900V z grupy produktów CeraLink FA firmy TDK Corporation. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Kondensatory z grupy FA mają 9,1mm szerokości i 7,4mm wysokości i są dostępne w długościach 6,3mm, 9,3mm i 30,3mm. Charakteryzują się odpornością na składowe zmienne prądu tętniącego do 47Arms.

Podsumowanie

Określenie specyfikacji kondensatora łącza prądu stałego jest ważną częścią projektowania przetwornic mocy. Istnieje wiele możliwych opcji, które mogą podlegać zmianom. Dokonanie niewłaściwego wyboru może spowodować, że przetwornica mocy nie spełni oczekiwań lub będzie zbyt droga. Aby uniknąć złego wyboru, trzeba być na bieżąco z najnowszymi osiągnięciami technologii i produktami związanymi z kondensatorami łączy prądu stałego.

Informacje o autorze

Image of Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

More posts by Jeff Shepard