Diese Woche machen wir mit dem Artikel der letzten Woche weiter.

1.2 Elektrolytkondensatoren

Das in Elektrolytkondensatoren verwendete Dielektrikum ist Aluminiumoxid, das durch Korrosion von Aluminium entsteht, mit einer Dielektrizitätskonstante von 8 bis 8,5 und einer Betriebsdurchschlagsfestigkeit von etwa 0,07 V/A (1 µm = 10000 A).Es ist jedoch nicht möglich, eine solche Dicke zu erreichen.Die Dicke der Aluminiumschicht verringert den Kapazitätsfaktor (spezifische Kapazität) von Elektrolytkondensatoren, da die Aluminiumfolie geätzt werden muss, um einen Aluminiumoxidfilm zu bilden, um gute Energiespeichereigenschaften zu erzielen, und die Oberfläche viele unebene Oberflächen bildet.Andererseits beträgt der spezifische Widerstand des Elektrolyten 150 Ωcm bei Niederspannung und 5 kΩcm bei Hochspannung (500 V).Der höhere spezifische Widerstand des Elektrolyten begrenzt den Effektivstrom, dem der Elektrolytkondensator standhalten kann, typischerweise auf 20 mA/µF.

Aus diesen Gründen sind Elektrolytkondensatoren für eine maximale Spannung von typischerweise 450 V ausgelegt (einige einzelne Hersteller sind für 600 V ausgelegt).Um höhere Spannungen zu erreichen, ist es daher notwendig, diese durch Reihenschaltung von Kondensatoren zu erreichen.Aufgrund des unterschiedlichen Isolationswiderstands jedes Elektrolytkondensators muss jedoch ein Widerstand an jeden Kondensator angeschlossen werden, um die Spannung jedes in Reihe geschalteten Kondensators auszugleichen.Darüber hinaus sind Elektrolytkondensatoren polarisierte Geräte, und wenn die angelegte Sperrspannung das 1,5-fache Un überschreitet, kommt es zu einer elektrochemischen Reaktion.Wenn die angelegte Sperrspannung lang genug anliegt, wird der Kondensator überlaufen.Um dieses Phänomen zu vermeiden, sollte bei Verwendung neben jedem Kondensator eine Diode angeschlossen werden.Außerdem beträgt die Spannungsstoßfestigkeit von Elektrolytkondensatoren im Allgemeinen das 1,15-fache Un, und die guten können das 1,2-fache Un erreichen.Daher sollten die Konstrukteure bei der Verwendung nicht nur die Dauerbetriebsspannung, sondern auch die Stoßspannung berücksichtigen.Zusammenfassend lässt sich folgende Vergleichstabelle zwischen Folienkondensatoren und Elektrolytkondensatoren erstellen, siehe Abb.1.

2. Anwendungsanalyse

DC-Link-Kondensatoren als Filter erfordern Designs mit hohem Strom und hoher Kapazität.Ein Beispiel ist das Hauptmotorantriebssystem eines New-Energy-Fahrzeugs, wie in Abb. 3 erwähnt.In dieser Anwendung übernimmt der Kondensator eine Entkopplungsfunktion und die Schaltung weist einen hohen Betriebsstrom auf.Der Folien-DC-Link-Kondensator hat den Vorteil, dass er großen Betriebsströmen (Irms) standhalten kann.Nehmen wir als Beispiel die Parameter eines New-Energy-Fahrzeugs mit 50–60 kW. Die Parameter lauten wie folgt: Betriebsspannung 330 VDC, Welligkeitsspannung 10 Vrms, Welligkeitsstrom 150 Aeff bei 10 kHz.

Dann wird die minimale elektrische Kapazität berechnet als:

Dies ist für das Design von Folienkondensatoren einfach zu implementieren.Unter der Annahme, dass Elektrolytkondensatoren verwendet werden und 20 mA/μF berücksichtigt werden, wird die Mindestkapazität der Elektrolytkondensatoren wie folgt berechnet, um die oben genannten Parameter zu erfüllen:

Um diese Kapazität zu erhalten, sind mehrere parallel geschaltete Elektrolytkondensatoren erforderlich.

Bei Überspannungsanwendungen wie Stadtbahnen, Elektrobussen, U-Bahnen usw. Da diese Energien über den Stromabnehmer mit dem Stromabnehmer der Lokomotive verbunden sind, kommt es während der Transportfahrt zu zeitweiligen Kontakten zwischen Stromabnehmer und Stromabnehmer.Wenn die beiden keinen Kontakt haben, wird die Stromversorgung durch den DC-L-Tintenkondensator unterstützt, und wenn der Kontakt wiederhergestellt wird, wird eine Überspannung erzeugt.Der schlimmste Fall ist eine vollständige Entladung des Zwischenkreiskondensators bei Trennung, wobei die Entladespannung gleich der Spannung des Stromabnehmers ist und bei Wiederherstellung des Kontakts die resultierende Überspannung fast das Doppelte des Nennbetriebs-Un beträgt.Bei Folienkondensatoren kann der DC-Link-Kondensator ohne zusätzliche Überlegungen gehandhabt werden.Bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren beträgt die Überspannung 1,2Un.Nehmen wir als Beispiel die U-Bahn von Shanghai.Un=1500Vdc, für den Elektrolytkondensator beträgt die zu berücksichtigende Spannung:

Anschließend sind die sechs 450V-Kondensatoren in Reihe zu schalten.Wenn ein Folienkondensatordesign verwendet wird, werden 600 V DC bis 2000 V DC oder sogar 3000 V DC problemlos erreicht.Darüber hinaus bildet die Energie im Falle einer vollständigen Entladung des Kondensators eine Kurzschlussentladung zwischen den beiden Elektroden, wodurch ein großer Einschaltstrom durch den Zwischenkreiskondensator erzeugt wird, der bei Elektrolytkondensatoren normalerweise unterschiedlich ist, um die Anforderungen zu erfüllen.

Darüber hinaus können DC-Link-Folienkondensatoren im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren so ausgelegt werden, dass sie einen sehr niedrigen ESR (typischerweise unter 10 mΩ und sogar weniger als 1 mΩ) und eine Selbstinduktivität LS (typischerweise unter 100 nH und in einigen Fällen unter 10 oder 20 nH) erreichen. .Dadurch kann der DC-Link-Folienkondensator bei der Anwendung direkt in das IGBT-Modul eingebaut werden, wodurch die Sammelschiene in den DC-Link-Folienkondensator integriert werden kann, sodass beim Einsatz von Folienkondensatoren kein spezieller IGBT-Absorberkondensator erforderlich ist und Kosten gespart werden dem Designer eine beträchtliche Summe Geld.Abb.2.und 3 zeigen die technischen Spezifikationen einiger C3A- und C3B-Produkte.

3. Fazit

In der Anfangszeit waren DC-Link-Kondensatoren aus Kosten- und Größengründen meist Elektrolytkondensatoren.

Elektrolytkondensatoren werden jedoch durch ihre Spannungs- und Stromfestigkeit beeinflusst (viel höherer ESR im Vergleich zu Folienkondensatoren). Daher ist es notwendig, mehrere Elektrolytkondensatoren in Reihe und parallel zu schalten, um eine große Kapazität zu erhalten und den Anforderungen des Hochspannungseinsatzes gerecht zu werden.Darüber hinaus sollte das Elektrolytmaterial aufgrund der Verflüchtigung regelmäßig ausgetauscht werden.Neue Energieanwendungen erfordern in der Regel eine Produktlebensdauer von 15 Jahren, sodass das Produkt in diesem Zeitraum zwei- bis dreimal ausgetauscht werden muss.Daher ist der Kundendienst für die gesamte Maschine mit erheblichen Kosten und Unannehmlichkeiten verbunden.Mit der Entwicklung der Metallisierungsbeschichtungstechnologie und der Filmkondensatortechnologie ist es möglich geworden, Hochleistungs-DC-Filterkondensatoren mit Spannungen von 450 V bis 1200 V oder sogar höher mit ultradünner OPP-Folie (die dünnste 2,7 µm, sogar 2,4 µm) herzustellen Sicherheitsfilm-Verdampfungstechnologie.Andererseits macht die Integration von DC-Link-Kondensatoren in die Sammelschiene das Design des Wechselrichtermoduls kompakter und reduziert die Streuinduktivität des Schaltkreises erheblich, um den Schaltkreis zu optimieren.