مجموعه متنوع از انواع خازن طی سالهای اخیر تغییر زیادی نکرده است ، اما مطمئناً برنامه ها وجود دارد. در این مقاله ، ما به این موضوع می پردازیم که چگونه از خازن ها در الکترونیک برق استفاده می شود و فناوری های موجود را با یکدیگر مقایسه می کنیم. خازن های فیلم مزایای خود را در برنامه های آینده مانند وسایل نقلیه برقی ، تبدیل انرژی انرژی تغییر یافته ، و اینورترها در درایوها بشر با این حال ، الکترولیتیک آلومینیوم (AL) هنوز هم مهم است که چگالی ذخیره انرژی نیاز اصلی باشد.
خازن آل الکترولیتی یا فیلم؟
عزل آن آسان است وابسته به الکترولیتیک به عنوان فناوری دیروز ، اما تمایز عملکرد بین آنها و جایگزین فیلم همیشه چندان واضح نیست. از نظر چگالی انرژی ذخیره شده ، یعنی ژول/سانتی متر مکعب ، آنها هنوز از خازن های استاندارد فیلم جلوتر هستند ، اگرچه انواع عجیب و غریب مانند کریستالی با کریستالی تقسیم شده پلی پروپیلن فلزی قابل مقایسه هستند همچنین ، الکترولیتیک AL رتبه بندی جریان موج خود را در دماهای بالاتر بهتر از خازن های فیلم رقیب حفظ می کند. حتی مسائل مربوط به زندگی و قابلیت اطمینان درک شده در هنگام استفاده مناسب از الکترولیتیک AL چندان قابل توجه نیستند. الکترولیتیک آل هنوز هم بسیار جذاب است که سوار شدن ولتاژ اتوبوس DC در قطع برق بدون پشتیبان گیری باتری مورد نیاز است. به عنوان مثال ، هنگامی که هزینه یک عامل محرک است ، پیش بینی خازن های فیلم از خازن های فله ای در منبع تغذیه خارج از خط کالا دشوار است.
فیلم از بسیاری جهات برنده می شود
خازن های فیلم چندین مزیت قابل توجه نسبت به سایر خازن ها دارند: رتبه بندی مقاومت به سری معادل (ESR) می تواند به طرز چشمگیری پایین تر باشد و منجر به رسیدگی بسیار بهتر از راه دور می شود. رتبه بندی های ولتاژ افزایشی نیز برتر است و شاید به طور مهم ، خازن های فیلم بتوانند از خودداری کنند
شکل 1 ویژگی های فیلم خازن.
شکل 2 تغییر DF با دمای فیلم پلی پروپیلن.
پس از استرس ، منجر به قابلیت اطمینان بهتر سیستم و طول عمر می شود. با این حال ، توانایی خودحافظی به سطح استرس ، مقادیر اوج و میزان تکرار بستگی دارد. علاوه بر این ، نارسایی فاجعه بار نهایی به دلیل رسوب کربن و آسیب وثیقه ناشی از قوس پلاسما که در هنگام پاکسازی گسل ایجاد می شود ، امکان پذیر است. این خصوصیات با کاربردهای مدرن تبدیل برق در وسایل نقلیه برقی و سیستم های انرژی جایگزین مطابقت دارد که در آن هیچگونه نگهدارنده با قطع یا بین قله های موج دار فرکانس وجود ندارد. نیاز اصلی توانایی منبع و غرق شدن جریانهای موج دار با فرکانس بالا است که ممکن است در صورت حفظ ضررهای قابل تحمل و قابلیت اطمینان بالا ، هزاران آمپر به صدها نفر برسد. همچنین حرکتی به ولتاژهای اتوبوس بالاتر برای کاهش تلفات اهمی در سطح قدرت داده شده وجود دارد. این به معنای اتصال سری الکترولیتیک آل با حداکثر ولتاژ ذاتی آنها تقریباً 550 ولت است. برای جلوگیری از عدم تعادل ولتاژ ، ممکن است لازم باشد خازن های گران قیمت را با مقادیر همسان انتخاب کرده و از مقاومت های متعادل کننده ولتاژ با ضرر و هزینه های مرتبط استفاده کنند.
مسئله قابلیت اطمینان ساده نیست ، اگرچه ، در شرایط کنترل شده ، الکترولیتیک با فیلم قدرت قابل مقایسه است ، به این معنی که آنها به طور معمول فقط 20 ٪ از ولتاژ را تحمل می کنند. در مقابل ، خازن های فیلم می توانند برای مدت محدود 100 ٪ از ولتاژ را تحمل کنند. پس از خرابی ، الکترولیتیک می تواند اتصال کوتاه و منفجر شود و یک کل بانک از اجزای سری/موازی را با تخلیه الکترولیت خطرناک پایین بیاورد. خازن های فیلم همچنین می توانند خود را اداره کنند ، اما قابلیت اطمینان سیستم در شرایط معتبر استرس گاه به گاه می تواند بین این دو نوع بسیار متفاوت باشد. مانند همه مؤلفه ها ، سطح رطوبت بالا می تواند عملکرد خازن فیلم را تخریب کند و برای بهترین قابلیت اطمینان ، این باید به خوبی کنترل شود. یکی دیگر از تمایزهای عملی سهولت خازن های فیلم در حال نصب است. آنها در محفظه های جعبه مستطیل عایق و حجمی کارآمد با انواع گزینه های اتصال الکتریکی ، از پایانه های پیچ گرفته تا لبه ها ، فازها و میله های اتوبوس ، در مقایسه با قوطی های فلزی معمولی الکترولیتیک موجود هستند. فیلم دی الکتریک غیر قطبی نصب ضد معکوس را به شما می دهد و امکان استفاده در برنامه هایی را که AC استفاده می شود ، مانند فیلتر اینورت-خروجی امکان پذیر می کند.
البته بسیاری از انواع دی الکتریک خازن فیلم در دسترس است ، و شکل 1 خلاصه ای از عملکردهای مقایسه ای آنها را ارائه می دهد [1]. فیلم پلی پروپیلن برنده کلی است که ضررها و قابلیت اطمینان تحت استرس ، ملاحظات اصلی به دلیل کمبود DF و شکست دی الکتریک بالا در ضخامت واحد است. فیلم های دیگر می توانند برای رتبه بندی دما و خازن/حجم بهتر باشند ، با ثبات دی الکتریک بالاتر و در دسترس بودن فیلم نازک تر ، و در ولتاژهای پایین ، پلی استر هنوز در حال استفاده مشترک است. DF از اهمیت ویژه ای برخوردار است و به عنوان واکنش ESR/خازنی تعریف شده است و معمولاً در 1 کیلوهرتز و 25 درجه سانتیگراد مشخص می شود. DF کم در مقایسه با سایر دی الکتریک ها حاکی از گرمایش پایین است و راهی برای مقایسه تلفات در هر میکروفراد است. DF با فرکانس و دما کمی متفاوت است ، اما پلی پروپیلن بهترین عملکرد را دارد. شکل 2 و 3 توطئه های معمولی را نشان می دهد.
دو نوع اصلی ساخت و ساز خازن فیلم وجود دارد که از فویل و فلز سازی سپرده استفاده می کنند ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. فویل فلزی که تقریباً 5 نانومتر ضخامت دارد ، به طور معمول بین لایه های دی الکتریک به دلیل توانایی زیاد اوج آن استفاده می شود ، اما پس از تحمل استرس ، خودداری نمی کند. فیلم فلزی شده توسط خلاء و به طور معمول رسوب AL در دمای 1200 درجه سانتیگراد بر روی فیلم به ضخامت تقریبا 20-50 نانومتر با دمای فیلم از 25 تا 35 درجه سانتیگراد تشکیل می شود ،
شکل 3 تغییر DF با فرکانس برای فیلم پلی پروپیلن.
شکل 4 ساخت خازن فیلم
اگرچه می توان از آلیاژهای روی (روی) و آلیزر نیز استفاده کرد. این فرایند بهبودی خود را امکان پذیر می کند ، جایی که تجزیه در هر نقطه در سراسر دی الکتریک باعث گرم شدن شدید بومی شده ، شاید تا 6000 درجه سانتیگراد ، و باعث ایجاد پلاسما می شود. فلز سازی در اطراف کانال خرابی تبخیر می شود ، با گسترش سریع پلاسما تخلیه ، که نقص را جدا می کند و خازن را کاملاً کاربردی می کند. کاهش ظرفیت حداقل اما با گذشت زمان افزودنی است و آن را به یک شاخص مفید از پیری مؤلفه تبدیل می کند.
یک روش متداول برای افزایش قابلیت اطمینان بیشتر ، تقسیم فلزات روی فیلم به مناطق ، شاید میلیون ها نفر است که دروازه های باریک جریان را به بخش ها تغذیه می کنند و به عنوان فیوز برای اضافه بار ناخالص عمل می کنند. باریک شدن مسیر جریان کل به فلز سازی باعث کاهش اوج جریان جریان مؤلفه می شود ، اما حاشیه ایمنی اضافی معرفی شده اجازه می دهد تا خازن به طور مفید در ولتاژهای بالاتر رتبه بندی شود.
پلی پروپیلن مدرن دارای استحکام دی الکتریک تقریباً 650 ولت بر میکرومتر است و در ضخامت تقریبا 1.9 میکرومتر و به سمت بالا در دسترس است ، بنابراین رتبه بندی ولتاژ خازن تا چند کیلوولت به طور معمول قابل دستیابی است و برخی از قسمت ها حتی در 100 کیلو ولت قرار دارند. با این حال ، در ولتاژهای بالاتر ، پدیده تخلیه جزئی (PD) ، که به عنوان تخلیه تاج نیز شناخته می شود ، به یک عامل تبدیل می شود. PD تجزیه ولتاژ بالا از میکرووئیدها در بخش عمده مواد یا در شکاف هوا بین لایه های مواد است که باعث ایجاد یک مدار کوتاه جزئی از مسیر عایق کل می شود. PD (تخلیه کرونا) اثری کربن جزئی را ترک می کند. اثر اولیه غیر قابل توجه است اما می تواند با گذشت زمان جمع شود تا اینکه یک شکست ناخالص و ناگهانی عایق تضعیف شده و ردیابی کربن رخ دهد. این اثر توسط منحنی Paschen ، که در شکل 5 نشان داده شده است ، توصیف شده است و دارای ولتاژ مشخصه و ولتاژ انقراض است. شکل دو نقاط قوت میدان را نشان می دهد. نقاط بالاتر از منحنی Paschen ، A ، احتمالاً یک شکست PD ایجاد می کند.
شکل 5 منحنی Paschen و مثال نقاط قوت میدان الکتریکی.
برای مقابله با اثر ، خازن های دارای درجه ولتاژ بسیار بالا روغن آغشته به روغن برای حذف هوا از رابط های لایه ای هستند. انواع ولتاژ پایین تمایل به پر شدن رزین دارند ، که به استحکام مکانیکی نیز کمک می کند. راه حل دیگر تشکیل خازن های سری در محفظه های منفرد است و به طور موثری افت ولتاژ را در هر یک از ولتاژ شروع می کند. PD یک اثر به دلیل شدت میدان الکتریکی است ، بنابراین افزایش ضخامت دی الکتریک برای کاهش شیب ولتاژ همیشه امکان پذیر است اما اندازه کلی خازن را افزایش می دهد. طرح های خازن وجود دارد که فویل ها و فلز سازی را ترکیب می کنند تا سازش بین توانایی اوج جریان و خود درمانی ایجاد کنند. فلز سازی همچنین می تواند از لبه خازن درجه بندی شود به طوری که مواد ضخیم تر در لبه ها با لحیم کاری یا جوشکاری ، دست زدن به جریان بهتر و خاتمه قوی تر را به دست می آورند و درجه بندی می تواند مداوم یا پله باشد.
شاید مفید باشد که یک قدم عقب بردارید و مشاهده کنید که چگونه استفاده از خازن های ال الکترولیتی سودمند است. یک نمونه در یک مبدل 90 ٪ با کارآمد ، 1 کیلو وات خارج از خط با یک قسمت جلویی تصحیح شده از قدرت ، نیاز به سوار شدن به 20 میلی ثانیه دارد ، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. به طور معمول دارای یک اتوبوس داخلی DC با ولتاژ اسمی ، VN ، از 400 ولت و یک ولتاژ ترکیبی ، VD ، از 300 V ، است که در زیر آن تنظیم بازده از دست رفته است.
خازن فله C1 انرژی لازم را برای حفظ توان خروجی ثابت در طول زمان مشخص شده از طریق آن فراهم می کند زیرا ولتاژ اتوبوس از 400 به 300 ولت پس از قطع شدن 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 450 ولت امتیاز.
اگر خازن های الکترولیکی استفاده می شود ، سپس معادله منجر به حجم مورد نیاز تقریباً 52 cm3 (یعنی 3 در 3) ، به عنوان مثال ، اگر TDK-Epcos از سری B43508 استفاده می شود. در مقابل ، خازن های فیلم به صورت غیر عملی بزرگ خواهند بود ، در صورت استفاده از سری TDK-EPCOS B32678 ، ممکن است به موازات کل 1500 سانتی متر 3 (یعنی 91 در 3) به 1500 cm3 (یعنی 91 در 3) نیاز داشته باشد. تفاوت بدیهی است ، اما اگر خازن برای کنترل ولتاژ موج دار روی یک خط DC نیاز داشته باشد ، انتخاب تغییر می کند. مثال مشابهی را در آن بگیرید که ولتاژ اتوبوس 400 ولت از باتری است ، بنابراین نگه داشتن لازم نیست. با این وجود ، نیاز به کاهش اثر موج دار به ، به عنوان مثال ، میانگین مربع ریشه 4 ولت (RMS) از 80 پالس جریان با فرکانس بالا RMS که توسط یک مبدل پایین دست در 20 کیلوهرتز گرفته شده است ، وجود دارد. این می تواند یک برنامه کاربردی وسیله نقلیه الکتریکی باشد و ظرفیت مورد نیاز را می توان از C = IRMS/VRIPPE.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF در 450 V رتبه بندی کرد.
شکل 6 خازن برای سوار شدن از طریق (نگه دارید). HVDC: ولتاژ بالا DC.
یک الکترولیتیک در 180 میکروگرم ، 450 ولت ممکن است دارای امتیاز ripplecurrent تنها تقریباً 3.5 RMS در دمای 60 درجه سانتیگراد باشد ، از جمله تصحیح فرکانس (سری EPCOS B43508). بنابراین ، برای 80 A ، 23 خازن به طور موازی مورد نیاز است ، و 4140 میکرومتر غیر ضروری با حجم کل 1200 cm3 (یعنی 73 در 3) تولید می کند. این مطابق با امتیاز 20 میلی آمپر/میکروگرم در جریان موج برای الکترولیتیک است. اگر خازن های فیلم در نظر گرفته شوند ، اکنون ، فقط چهار به طور موازی از EPCOS B32678 سریال به یک امتیاز موج 132-A RMS در حجم 402 cm3 (یعنی 24.5 در 3) امتیاز می دهد. اگر دما محدود شود ، به عنوان مثال ، کمتر از 70 درجه سانتیگراد محیط ، هنوز هم اندازه مورد کوچکتر انتخاب می شود. حتی اگر الکترولیتیک را به دلایل دیگر انتخاب کنیم ، ظرفیت اضافی می تواند باعث مشکلات دیگر مانند کنترل انرژی در جریان Inrush شود. البته ، اگر ولتاژهای گذرا ممکن باشد ، خازن های فیلم در برنامه بسیار قوی تر خواهند بود. نمونه ای از این امر در کشش نور خواهد بود ، جایی که یک اتصال متناوب به یک گربه باعث ایجاد ولتاژ در اتصال DC-Link می شود.
این مثال امروزه برای بسیاری از محیط ها معمولی است ، مانند سیستم های منبع تغذیه غیرقابل وقفه ، انرژی باد و خورشیدی ، جوشکاری و اینورترهای گره خورده. تفاوت هزینه بین فیلم و الکترولیتیک AL را می توان در ارقام منتشر شده در سال 2013 خلاصه کرد [2]. هزینه های معمولی برای DC-Bus از 440 VAC اصلاح شده را می توان در جدول 1 یافت.
برنامه های دیگر برای جدا کردن و مدارهای در مبدل ها یا اینورترها. در اینجا ، در صورت اجازه اندازه باید از ساخت فیلم/فویل استفاده شود ، زیرا انواع فلزی به مراحل طراحی و ساخت ویژه نیاز دارند. به عنوان جداشدگی ، خازن در سراسر اتوبوس DC قرار می گیرد تا یک مسیر القایی کم برای گردش جریان های با فرکانس بالا ، به طور معمول 1 میکرومتر در هر 100 تغییر یابد. بدون خازن ، جریان از طریق حلقه های با القاء بالاتر گردش می کند و باعث ولتاژهای گذرا (VTR) می شود: VTR = -ldi/dt.
با وجود تغییرات فعلی 1000 A/μs امکان پذیر است ، فقط چند نانوهن از القاء می تواند ولتاژ قابل توجهی ایجاد کند. آثار صفحه چاپی چاپی می توانند القایی در حدود 1 نانومتر در میلی متر داشته باشند ، بنابراین ، تقریباً 1 VTR/mm در این شرایط را فراهم می کند. بنابراین ، مهم است که اتصالات تا حد امکان کوتاه باشد. برای کنترل DV/ DT در سراسر سوئیچ ها ، خازن و یک شبکه مقاومت/ دیود به طور موازی با igbt یا MOSFET (شکل 7).
این زنگ زدگی را کند می کند ، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کنترل می کند و به دلیل زیاد از تعویض فریبنده جلوگیری می کند
شکل 7 سوئیچ در حال خروپف است. شکل 8 خازن های فیلم به عنوان سرکوب EMI. شکل 9 خازن های فیلم در فیلتر EMC موتور درایو.
DV/DT ، به ویژه در IGBTS. نقطه شروع اغلب باعث ایجاد ظرفیت Snubber تقریباً دو برابر از خازن خروجی سوئیچ و خازن نصب می شود و سپس مقاومت برای مرطوب کردن هر زنگ زدن انتخاب می شود. رویکردهای بهینه تر طراحی تدوین شده است.
خازن های پلی پروپیلن دارای امتیاز ایمنی اغلب در خطوط برق برای کاهش حالت دیفرانسیل EMI استفاده می شوند (شکل 8). توانایی آنها در تحمل ولتاژهای گذرا و خود داری بسیار مهم است. خازن ها در این موقعیت ها به عنوان X1 یا X2 رتبه بندی می شوند که به ترتیب می توانند از گذرا 4- و 2.5 کیلو ولت مقاومت کنند. مقادیر مورد استفاده اغلب در میکروفادها برای دستیابی به رعایت استانداردهای سازگاری الکترومغناطیسی معمولی (EMC) در سطح قدرت بالا است. از خازن های نوع Y فیلم همچنین می توان در موقعیت های خط به زمین استفاده کرد تا سر و صدای حالت مشترک را کاهش دهد که در آن مقدار مقدار CA به دلیل ملاحظات جریان نشت محدود است (شکل 8). نسخه های Y1 و Y2 به ترتیب برای رتبه بندی های گذرا 8- و 5 کیلو ولت در دسترس هستند. القاء اتصال کم از خازن های فیلم همچنین به بالا نگه داشتن خودآزمایی کمک کنید.
یک کاربرد روزافزون برای خازن های غیر قطبی ، تشکیل فیلترهای کم گذر با سلف های سری برای کاهش هارمونیک های فرکانس بالا در خروجی AC درایوها و اینورترها است (شکل 9). خازن های پلی پروپیلن غالباً برای قابلیت اطمینان ، رتبه بالا و درجه حرارت بالا و راندمان حجمی خوب در کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند و سلف ها و خازن ها اغلب در یک ماژول با هم بسته بندی می شوند. بارهایی مانند موتورها اغلب از واحد درایو فاصله دارند و از فیلترها برای فعال کردن سیستم ها برای برآورده کردن نیازهای EMC و کاهش استرس در کابل کشی و موتورها از سطح DV/DT بیش از حد استفاده می شود .
