خازن های فیلم در کاربردهای برق

مجموعه متنوعی از انواع خازن در سال های اخیر تغییر چندانی نکرده است، اما برنامه های کاربردی مطمئناً تغییر کرده اند. در این مقاله به نحوه استفاده از خازن ها در الکترونیک قدرت و مقایسه فن آوری های موجود می پردازیم. خازن های فیلم در حال نشان دادن مزایای خود در برنامه های آینده مانند وسایل نقلیه الکتریکی ، تبدیل توان انرژی جایگزین و اینورترها در درایوها . با این حال، هنگامی که چگالی ذخیره انرژی نیاز اصلی است، الکترولیت های آلومینیومی (Al) هنوز مهم هستند.

آل الکترولیتیک یا خازن فیلم؟

رد کردنش راحته الکترولیت های آلی مانند فناوری دیروز، اما تفاوت در عملکرد بین آنها و جایگزین فیلم همیشه چندان واضح نیست. از نظر چگالی انرژی ذخیره شده، یعنی ژول/سانتی متر مکعب، آنها همچنان از خازن های فیلم استاندارد جلوتر هستند، اگرچه انواع عجیب و غریب مانند قطعه بندی شده با کریستالی بالا پلی پروپیلن متالیزه قابل مقایسه هستند. همچنین، الکترولیت‌های Al امتیاز جریان موج دار خود را در دماهای بالاتر بهتر از خازن‌های فیلم رقیب حفظ می‌کنند. حتی عمر درک شده و مسائل قابلیت اطمینان زمانی که الکترولیت‌های Al به طور مناسب کاهش می‌یابند چندان مهم نیستند. الکترولیت‌های آلی هنوز هم بسیار جذاب هستند، جایی که استفاده از ولتاژ باس dc در قطع برق بدون پشتیبان‌گیری باتری مورد نیاز است. برای مثال، زمانی که هزینه یک عامل محرک است، پیش‌بینی اینکه خازن‌های فیلم جایگزین خازن‌های حجیم در منابع تغذیه خارج از خط کالا شوند، به‌ویژه دشوار است.

فیلم از بسیاری جهات برنده می شود

خازن‌های فیلم چندین مزیت قابل توجه نسبت به خازن‌های دیگر دارند: درجه‌بندی مقاومت سری معادل (ESR) می‌تواند به‌طور چشمگیری پایین‌تر باشد، که منجر به کنترل بسیار بهتر جریان موجدار می‌شود. رتبه‌بندی‌های ولتاژ بالا نیز برتر هستند و شاید مهم‌تر از همه، خازن‌های فیلم می‌توانند خود ترمیم شوند.

شکل 1 ویژگی های فیلم خازن

شکل 2 تغییر DF با دما برای فیلم پلی پروپیلن.

پس از استرس، منجر به قابلیت اطمینان و طول عمر بهتر سیستم می شود. با این حال، توانایی خود درمانی به سطح استرس، مقادیر اوج و میزان تکرار بستگی دارد. علاوه بر این، شکست فاجعه آمیز نهایی به دلیل رسوب کربن و آسیب جانبی از قوس پلاسما ایجاد شده در طول پاکسازی خطا ممکن است. این ویژگی‌ها با کاربردهای مدرن تبدیل نیرو در وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های انرژی جایگزین مطابقت دارد که در آن هیچ توقفی با قطع یا بین پیک‌های موجی فرکانس خط وجود ندارد. نیاز اصلی، توانایی منبع و غرق جریان های موج دار با فرکانس بالا است که ممکن است به صدها اگر نه هزاران آمپر برسد، در حالی که تلفات قابل تحمل و قابلیت اطمینان بالا حفظ می شود. همچنین حرکتی به سمت ولتاژهای باس بالاتر برای کاهش تلفات اهمی در سطوح توان داده شده وجود دارد. این به معنای اتصال سری الکترولیت‌های Al با حداکثر ولتاژ ذاتی آنها تقریباً 550 ولت است. برای جلوگیری از عدم تعادل ولتاژ، ممکن است لازم باشد خازن‌های گران قیمت را با مقادیر همسان انتخاب کنید و از مقاومت‌های متعادل کننده ولتاژ با تلفات و هزینه مرتبط استفاده کنید.

مسئله قابلیت اطمینان ساده نیست، اگرچه، تحت شرایط کنترل شده، الکترولیت ها با فیلم قدرت قابل مقایسه هستند، به این معنی که آنها معمولاً تنها 20٪ اضافه ولتاژ را قبل از وقوع آسیب تحمل می کنند. در مقابل، خازن های فیلم می توانند 100 درصد اضافه ولتاژ را برای دوره های محدود تحمل کنند. در صورت خرابی، الکترولیت ها می توانند اتصال کوتاه و منفجر شوند و مجموعه کاملی از اجزای سری/موازی با تخلیه الکترولیت خطرناک را از بین ببرند. خازن های فیلم همچنین می توانند خود ترمیم شوند، اما قابلیت اطمینان سیستم در شرایط واقعی استرس گاه به گاه می تواند بین این دو نوع بسیار متفاوت باشد. مانند تمام اجزاء، سطوح رطوبت بالا می تواند عملکرد خازن فیلم را کاهش دهد، و برای بهترین قابلیت اطمینان، این باید به خوبی کنترل شود. یکی دیگر از تمایزهای عملی سهولت نصب خازن های فیلم است - آنها در محفظه های مستطیل شکل عایق بندی شده و کارآمد حجمی با انواع گزینه های اتصال الکتریکی، از پایانه های پیچی گرفته تا گیره ها، فاستون ها و میله های اتوبوس، در مقایسه با قوطی های فلزی گرد معمولی موجود هستند. الکترولیت ها فیلم دی الکتریک غیرقطبی، نصب ضد معکوس می دهد و امکان استفاده در برنامه هایی را که ac اعمال می شود، مانند فیلتر خروجی اینورتر، می دهد.

البته، بسیاری از انواع دی الکتریک خازن فیلم موجود است، و شکل 1 خلاصه ای از عملکرد مقایسه ای آنها را نشان می دهد [1]. هنگامی که تلفات و قابلیت اطمینان تحت تنش ملاحظات اصلی هستند، فیلم پلی پروپیلن به دلیل DF کم و شکست دی الکتریک بالا در واحد ضخامت، برنده کلی است. فیلم‌های دیگر می‌توانند برای درجه‌بندی دما و ظرفیت/حجم، با ثابت‌های دی الکتریک بالاتر و در دسترس بودن لایه نازک‌تر، بهتر باشند، و در ولتاژهای پایین، پلی استر هنوز رایج است. DF به ویژه مهم است و به عنوان راکتانس ESR/خازنی تعریف می‌شود و معمولاً در 1 کیلوهرتز و 25 درجه سانتی‌گراد مشخص می‌شود. DF پایین در مقایسه با سایر دی الکتریک ها به معنای گرمایش کمتر است و روشی برای مقایسه تلفات در هر میکروفاراد است. DF با فرکانس و دما کمی متفاوت است، اما پلی پروپیلن بهترین عملکرد را دارد. شکل 2 و 3 نمودارهای معمولی را نشان می دهد.

ساخت خازن فیلم پلی پروپیلن

دو نوع اصلی از ساختارهای خازن فیلم وجود دارد که از فویل و متالیزاسیون رسوبی استفاده می کنند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. فویل فلزی با ضخامت تقریباً 5 نانومتر معمولاً بین لایه های دی الکتریک به دلیل قابلیت بالای جریان بالا استفاده می شود، اما خود به خود نمی شود. -درمان پس از تحمل استرس فیلم فلزی شده توسط خلاء و معمولاً با رسوب Al در دمای 1200 درجه سانتیگراد روی فیلم به ضخامت تقریباً 20 تا 50 نانومتر با دمای فیلم در محدوده 25- تا -35 درجه سانتیگراد تشکیل می شود.

شکل 3 تغییر DF با فرکانس برای فیلم پلی پروپیلن.

شکل 4 ساخت خازن فیلم

اگرچه روی (Zn) و آلیاژهای Al-Zn نیز می توانند استفاده شوند. این فرآیند خود ترمیمی را امکان پذیر می کند، جایی که خرابی ها در هر نقطه از دی الکتریک باعث گرمای شدید موضعی، شاید تا 6000 درجه سانتیگراد می شود که باعث تشکیل پلاسما می شود. متالیزاسیون در اطراف کانال شکست تبخیر می شود، با انبساط سریع پلاسما، تخلیه را خاموش می کند، که نقص را جدا می کند و خازن را کاملاً کار می کند. کاهش ظرفیت خازنی بسیار کم است، اما در طول زمان افزایش می یابد، و آن را به یک شاخص مفید برای پیری قطعه تبدیل می کند.

یک روش متداول برای افزایش قابلیت اطمینان بیشتر، تقسیم متالیزاسیون روی فیلم به مناطق، شاید میلیون‌ها نفر، با دروازه‌های باریکی است که جریان را به بخش‌ها تغذیه می‌کند و به عنوان فیوز برای اضافه بارهای ناخالص عمل می‌کند. باریک شدن مسیر کل جریان به سمت متالیزاسیون، کنترل جریان اوج قطعه را کاهش می دهد، اما حاشیه ایمنی اضافی معرفی شده اجازه می دهد تا خازن به طور مفید در ولتاژهای بالاتر رتبه بندی شود.

پلی پروپیلن مدرن دارای قدرت دی الکتریک تقریباً 650 V/μm است و در ضخامت های تقریباً 1.9 میکرومتر و بالاتر موجود است، بنابراین ولتاژ خازن تا چند کیلو ولت به طور معمول قابل دستیابی است و برخی از قطعات حتی 100 کیلو ولت دارند. با این حال، در ولتاژهای بالاتر، پدیده تخلیه جزئی (PD) که به عنوان تخلیه کرونا نیز شناخته می شود، به یک عامل تبدیل می شود. PD شکست ولتاژ بالا ریزحفره‌ها در بخش عمده مواد یا در شکاف‌های هوای بین لایه‌های مواد است که باعث ایجاد یک اتصال کوتاه جزئی در کل مسیر عایق می‌شود. PD (تخلیه کرونا) کمی رد کربن باقی می‌گذارد. اثر اولیه غیر قابل توجه است اما می تواند در طول زمان انباشته شود تا زمانی که یک شکست شدید و ناگهانی عایق ضعیف شده با ردیابی کربن رخ دهد. این اثر با منحنی Paschen، که در شکل 5 نشان داده شده است، توصیف شده است و دارای یک ولتاژ شروع و خاموش شدن مشخصه است. شکل دو نمونه از نقاط قوت میدان را نشان می دهد. نقاط بالای منحنی Paschen، A، احتمالاً یک شکست PD ایجاد می کنند.

شکل 5 منحنی Paschen و قدرت میدان الکتریکی مثال.

برای مقابله با این اثر، خازن‌های با ولتاژ بسیار بالا به روغن آغشته می‌شوند تا هوا را از رابط‌های لایه‌ها حذف کنند. انواع ولتاژ پایین تر تمایل به پر شدن از رزین دارند که به استحکام مکانیکی نیز کمک می کند. راه حل دیگر، تشکیل خازن های سری در محفظه های تکی است که به طور موثر افت ولتاژ را در هر یک به زیر ولتاژ اولیه کاهش می دهد. PD یک اثر ناشی از شدت میدان الکتریکی است، بنابراین افزایش ضخامت دی الکتریک برای کاهش گرادیان ولتاژ همیشه امکان پذیر است اما اندازه کلی خازن را افزایش می دهد. طرح‌های خازن‌هایی وجود دارند که فویل‌ها و متالیزاسیون را با هم ترکیب می‌کنند تا بین قابلیت حداکثر جریان و خود ترمیمی سازشی ایجاد کنند. همچنین می‌توان فلزی شدن را از لبه خازن درجه‌بندی کرد تا مواد ضخیم‌تر در لبه‌ها جریان بهتری داشته باشد و با لحیم کاری یا جوشکاری پایان قوی‌تری داشته باشد و درجه بندی می‌تواند پیوسته یا پلکانی باشد.

کاربردهای خازن های فیلم

شاید مفید باشد که یک قدم به عقب برداریم و مشاهده کنیم که چگونه استفاده از خازن های الکترولیتی Al مزیت دارد. یک مثال در یک مبدل آفلاین 1 کیلوواتی 90% با کارایی 90% با قسمت جلویی تصحیح شده با ضریب توان، نیاز به 20 میلی ثانیه سواری دارد، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. معمولا دارای یک گذرگاه dc داخلی با ولتاژ نامی، Vn، 400 ولت و ولتاژ کاهشی، Vd، 300 ولت، که در زیر آن تنظیم خروجی از بین می رود.

خازن حجیم C1 انرژی را برای حفظ توان خروجی ثابت در طول زمان سواری مشخص شده تامین می کند زیرا ولتاژ باس پس از قطعی از 400 به 300 ولت کاهش می یابد. از نظر ریاضی، Po t/h = 1/2 C (Vn²-Vd²) یا C=2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) =634nF در رتبه بندی 450 ولت.

اگر خازن های الکترولیتی استفاده می شود، سپس معادله به حجم مورد نیاز تقریباً 52 سانتی متر مکعب (یعنی 3 در 3) منجر می شود، به عنوان مثال، اگر TDK-EPCOS سری B43508 استفاده شده است. در مقابل، اگر از سری TDK-EPCOS B32678 استفاده شود، خازن‌های فیلم به طور غیرعملی بزرگ خواهند بود و احتمالاً به 15 عدد موازی در حجم کل 1500 سانتی‌متر مکعب (یعنی 91 در 3) نیاز دارند. تفاوت آشکار است، اما اگر خازن نیاز به کنترل ولتاژ موج دار در یک خط dc داشته باشد، انتخاب تغییر می کند. مثال مشابهی را در نظر بگیرید که در آن ولتاژ باس 400 ولت از باتری است، بنابراین نیازی به نگه داشتن آن نیست. با این حال، نیاز به کاهش اثر امواج به، به عنوان مثال، 4 V ریشه مربع (rms) از پالس های جریان فرکانس بالا 80 A rms وجود دارد که توسط مبدل پایین دست در 20 کیلوهرتز گرفته می شود. این می تواند یک برنامه وسیله نقلیه الکتریکی باشد و ظرفیت خازنی مورد نیاز را می توان از C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF در 450 ولت تقریب زد.

شکل 6 خازن برای سوار شدن از طریق (بالا نگه دارید). HVDC: ولتاژ بالا dc.

یک الکترولیتی در 180 µF، 450 ولت ممکن است دارای جریان موجی تقریباً 3.5 A rms در 60 درجه سانتیگراد باشد، از جمله اصلاح فرکانس (سری EPCOS B43508). بنابراین، برای 80 A، 23 خازن به صورت موازی مورد نیاز است که 4140 میکروF غیر ضروری با حجم کل 1200 سانتی متر مکعب (یعنی 73 در 3) تولید می کند. این با رتبه‌بندی جریان موج دار 20 mA/μF که گاهی اوقات برای الکترولیت‌ها ذکر می‌شود، مطابقت دارد. اگر خازن های فیلم در نظر گرفته شوند، اکنون، فقط چهار خازن به صورت موازی از آن EPCOS B32678 سری ها رتبه بندی جریان موج دار 132-A rms در حجم 402 سانتی متر مکعب (یعنی 24.5 در 3) می دهند. اگر دما به، به عنوان مثال، کمتر از 70 درجه سانتیگراد محیط محدود شود، باز هم می توان اندازه کوچکتر را انتخاب کرد. حتی اگر الکترولیت ها را بر اساس دلایل دیگر انتخاب کنیم، ظرفیت اضافی می تواند مشکلات دیگری مانند کنترل انرژی در جریان هجومی ایجاد کند. البته، اگر اضافه ولتاژهای گذرا رخ دهد، خازن های فیلم در کاربرد بسیار قوی تر خواهند بود. یک مثال از این می تواند در کشش سبک باشد، جایی که یک اتصال متناوب به یک کاتنر باعث اضافه ولتاژ در اتصال dc-link می شود.

این مثال برای بسیاری از محیط‌های امروزی مانند سیستم‌های منبع تغذیه بدون وقفه، برق بادی و خورشیدی، جوشکاری و اینورترهای متصل به شبکه معمول است. تفاوت هزینه بین فیلم و الکترولیت Al را می توان در ارقام منتشر شده در سال 2013 خلاصه کرد [2]. هزینه های معمول برای یک باس dc از 440 Vac اصلاح شده در جدول 1 آمده است.

خازن‌های فیلم برای جداسازی و خنثی کردن خوب هستند

کاربردهای دیگر برای جداسازی و مدارهای اسناببر در مبدل یا اینورتر در اینجا، اگر اندازه اجازه می دهد، باید از ساخت فیلم / فویل استفاده شود، زیرا انواع متالیزه به مراحل طراحی و ساخت خاصی نیاز دارند. هنگام جداسازی، خازن در سراسر گذرگاه dc قرار می‌گیرد تا یک مسیر اندوکتانس پایین برای گردش جریان‌های فرکانس بالا، معمولاً 1 µF در هر 100 A سوئیچ‌شده، فراهم کند. بدون خازن، جریان از طریق حلقه‌های القایی بالاتر گردش می‌کند و باعث ایجاد ولتاژهای گذرا (Vtr) مطابق موارد زیر می‌شود:  Vtr =-Ldi/dt.

با امکان تغییر جریان 1000 A/μs، تنها چند نانوهنری اندوکتانس می تواند ولتاژ قابل توجهی تولید کند. ردپای مدار چاپی می تواند اندوکتانس حدود 1 nH/mm داشته باشد، بنابراین در این شرایط تقریباً 1 Vtr/mm را فراهم می کند. بنابراین، مهم است که اتصالات تا حد امکان کوتاه باشند. برای کنترل dV/dt در سراسر سوئیچ ها، خازن و یک شبکه مقاومت/دیود به موازات یک IGBT یا ماسفت (شکل 7).

این امر زنگ زدن را کند می کند، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کنترل می کند و از تعویض کاذب به دلیل بالا جلوگیری می کند.

شکل 7 سوئیچ در حال رد شدن شکل 8 خازن های فیلم به عنوان سرکوب EMI. شکل 9 خازن های فیلم در فیلتر EMC محرک موتور.

dV/dt، به ویژه در IGBT. نقطه شروع اغلب این است که ظرفیت اسنابر تقریباً دو برابر مجموع ظرفیت خروجی سوئیچ و ظرفیت نصب می شود و سپس مقاومت به گونه ای انتخاب می شود که به طور بحرانی هر زنگی را مرطوب کند. رویکردهای طراحی بهینه بیشتری فرموله شده است.

فیلتر EMI

خازن های پلی پروپیلن دارای درجه ایمنی اغلب در خطوط برق برای کاهش EMI حالت دیفرانسیل استفاده می شود (شکل 8). توانایی آنها برای مقاومت در برابر ولتاژهای گذرا و خود ترمیمی بسیار مهم است. خازن ها در این موقعیت ها به عنوان X1 یا X2 رتبه بندی می شوند که می توانند به ترتیب گذرا 4 و 2.5 کیلو ولت را تحمل کنند. مقادیر مورد استفاده اغلب در میکروفاراد برای دستیابی به انطباق با استانداردهای معمولی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) در سطوح توان بالا هستند. خازن‌های نوع Y فیلم همچنین می‌توانند در موقعیت‌های خط به زمین برای کاهش نویز حالت رایج که در آن مقدار ظرفیت کلسیم به دلیل ملاحظات جریان نشتی محدود است، استفاده شود (شکل 8). نسخه های Y1 و Y2 به ترتیب برای رتبه بندی های گذرا 8 و 5 کیلو ولت در دسترس هستند. اندوکتانس اتصال کم خازن های فیلم همچنین به بالا نگه داشتن رزونانس خود کمک می کند.

فیلتر خروجی اینورتر

یک کاربرد فزاینده برای خازن های غیرقطبی، تشکیل فیلترهای پایین گذر با سلف های سری برای کاهش هارمونیک های فرکانس بالا در خروجی ac درایوها و اینورترها است (شکل 9). خازن های پلی پروپیلن اغلب به دلیل قابلیت اطمینان، درجه جریان موج دار بالا و راندمان حجمی خوب در کاربرد استفاده می شوند و سلف ها و خازن ها اغلب با هم در یک ماژول بسته بندی می شوند. بارهایی مانند موتورها اغلب از واحد محرک دور هستند و فیلترها برای فعال کردن سیستم ها برای برآورده کردن الزامات EMC و کاهش فشار روی کابل ها و موتورها از سطوح dV/dt بیش از حد استفاده می شوند.