커패시터 유형의 다양한 컬렉션은 최근 몇 년 동안 크게 변하지 않았지만 응용 프로그램은 확실히 있습니다. 이 기사에서는 커패시터가 전력 전자 장치에서 어떻게 사용되는지 살펴보고 사용 가능한 기술을 비교합니다. 필름 커패시터 다가오는 응용 프로그램과 같은 장점을 보여주고 있습니다 전기 자동차 , 천연 에너지 전력 변환 및 드라이브의 인버터 . 그러나 에너지 저장 밀도가 주요 요구 사항 일 때 알루미늄 (AL) 전해질은 여전히 중요합니다.
Al Electrolitic 또는 필름 커패시터?
무시하기 쉽습니다 Al 전해질 어제의 기술로서, 그들과 영화 대안의 성능 차별화가 항상 명확하지는 않습니다. 저장된 에너지 밀도, 즉 줄리/입방 센티미터의 관점에서, 그들은 세그먼트 화 된 고결정과 같은 이국적인 변형이지만 여전히 표준 필름 커패시터보다 앞서있다. 금속화 된 폴리 프로필렌 비슷합니다. 또한 AL 전해질은 경쟁하는 필름 커패시터보다 더 높은 온도에서 잔물류 등급을 유지합니다. AL 전해질이 적절하게 파괴 될 때 인식 된 수명과 신뢰성 문제조차도 그다지 중요하지 않습니다. Al Electrytics는 여전히 배터리 백업없이 정전 시설에서 DC 버스 전압의 승차가 필요한 경우에도 여전히 매우 매력적입니다. 예를 들어, 비용이 운전 요인 인 경우, 필름 커패시터가 상품 오프라인 전원 공급 장치의 벌크 커패시터에서 인수하는 것이 특히 어렵습니다.
영화는 여러면에서 승리합니다
필름 커패시터는 다른 커패시터에 비해 몇 가지 중요한 이점이 있습니다. 동등한 직렬 저항 (ESR) 등급은 극적으로 낮아 질 수있어 훨씬 더 나은 분류 처리를 초래할 수 있습니다. 서지 전압 등급도 우수하며, 아마도 가장 중요한 필름 커패시터는자가 치유 할 수 있습니다.
그림 1 커패시터 필름 특성.
그림 2 폴리 프로필렌 필름의 온도와의 DF의 변화.
스트레스 후 시스템 신뢰성과 수명이 향상됩니다. 그러나자가 치유 능력은 응력 수준, 피크 값 및 반복 속도에 따라 다릅니다. 또한, 결함 제거 중에 생성 된 혈장 아크로부터의 탄소 증착 및 담보 손상으로 인해 최종 치명적인 실패가 여전히 가능하다. 이러한 특성은 전기 자동차 및 대체 에너지 시스템의 최신 전력 전환 응용과 일치하는 대체 에너지 시스템과 정전 또는 라인 주파수 잔물결 피크 사이에 보류가 필요하지 않습니다. 주요 요구 사항은 허용 가능한 손실과 높은 신뢰성을 유지하면서 수천 개의 앰프에 도달 할 수있는 고주파수 잔물결 전류를 공급하고 싱크하는 기능입니다. 주어진 전력 레벨에서 저장 손실을 줄이기 위해 더 높은 버스 전압으로의 이동이 있습니다. 이는 AL 전해질과 고유의 최대 전압 등급과 약 550V의 일련의 연결을 의미합니다. 전압 불균형을 피하려면 값이 일치하는 고가의 커패시터를 선택하고 관련 손실 및 비용으로 전압 밸런싱 저항을 사용해야합니다.
통제 된 조건에서 전해질은 전력 필름과 비교할 수 있지만 신뢰성 문제는 간단하지 않지만, 손상이 발생하기 전에 일반적으로 과전압의 20% 만 견딜 수 있습니다. 대조적으로, 필름 커패시터는 제한된 기간 동안 아마도 100%의 과전압을 견딜 수 있습니다. 고장시, 전해질은 단락과 폭발 할 수 있으며, 위험한 전해질 배출로 직렬/병렬 성분의 전체 뱅크를 제거 할 수 있습니다. 필름 커패시터도자가 치유 할 수 있지만, 때때로 스트레스의 진정한 조건 하에서 시스템 신뢰성은 두 유형간에 매우 다를 수 있습니다. 모든 구성 요소와 마찬가지로 높은 습도 수준은 필름 커패시터 성능을 저하시킬 수 있으며 최상의 신뢰성을 위해서는 잘 제어해야합니다. 또 다른 실용적인 차별화 요소는 필름 커패시터를 쉽게 장착하는 것입니다. 이는 전기적 전기 혈전 캔과 비교하여 스크류 터미널에서 러그, 패스트 톤 및 버스 바에 이르기까지 다양한 전기 연결 옵션을 갖춘 절연, 부피 효율적인 직사각형 박스 인클로저로 제공됩니다. 비극성 유전체 필름은 역 방지 장착을 제공하며 인버터 출력 필터링과 같이 AC가 적용되는 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
물론, 사용 가능한 많은 필름 커패시터 유전체 유형이 있으며, 그림 1은 비교 성능을 요약합니다 [1]. 폴리 프로필렌 필름은 스트레스에 따른 손실과 신뢰성이 단위 두께 당 DF가 낮고 유전체 두께가 높기 때문에 주요 고려 사항 일 때 전체 승자입니다. 다른 필름은 온도 등급 및 커패시턴스/부피에 더 좋을 수 있으며, 유전 상수가 높고 얇은 필름 가용성이 높으며, 저전압에서 폴리 에스테르는 여전히 일반적으로 사용됩니다. DF는 특히 중요하고 ESR/용량 성 리액턴스로 정의되며 일반적으로 1kHz 및 25 ° C로 지정됩니다. 다른 유전체와 비교하여 낮은 DF는 가열이 낮고 마이크로 파라드 당 손실을 비교하는 방법입니다. DF는 주파수와 온도에 따라 약간 다양하지만 폴리 프로필렌은 가장 잘 수행됩니다. 그림 2와 3은 전형적인 음모를 보여줍니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이 호일과 퇴적 된 금속 화를 사용하는 필름 커패시터 구조에는 두 가지 주요 유형의 필름 커패시터 구조가 있습니다. 약 5nm 두께의 금속 포일은 일반적으로 유전체 층 사이에 높은 피크 전류 능력을 위해 사용되지만 스트레스를 견뎌내는 후에는 자기 치유되지 않습니다. 금속화 된 필름은 진공 및 전형적으로 1,200 ℃에서 AL을 필름에 약 20-50 nm의 두께로 퇴적하여 -25 내지 -35 ℃ 범위의 필름 온도에 의해 형성된다.
그림 3 폴리 프로필렌 필름의 주파수와의 DF의 변화.
그림 4 필름 커패시터 구성
비록 아연 (Zn) 및 Al-Zn 합금도 사용될 수 있습니다. 이 과정은자가 치유를 가능하게합니다. 이곳에서 유전체 원인으로 인해 어느 시점에서도 현지화 된 강한 난방, 아마도 6,000 ° C까지 혈장이 형성됩니다. 분해 채널 주변의 금속 화는 기화되고, 혈장이 배출을 급격히 팽창시키면서 결함을 분리하고 커패시터를 완전히 기능하게한다. 커패시턴스의 감소는 시간이 지남에 따라 최소화하지만 부가가치이므로 구성 요소의 노화에 대한 유용한 지표가됩니다.
추가 신뢰성 향상을위한 일반적인 방법은 필름의 금속 화을 영역, 아마도 수백만으로 분할하는 것입니다. 금속 화에 대한 총 전류 경로가 좁아지면 구성 요소의 피크 전류 처리가 줄어들지 만, 도입 된 추가 안전 마진을 사용하면 커패시터가 더 높은 전압에서 유용하게 등급을 매길 수 있습니다.
현대의 폴리 프로필렌은 약 650V/µm의 유전성 강도를 가지며 약 1.9 µm 이상의 두께로 제공되므로 최대 몇 킬로 볼트의 커패시터 전압 등급은 정기적으로 달성 가능하며 일부 부품은 100kV입니다. 그러나, 더 높은 전압에서, 코로나 방전이라고도하는 부분 방전 현상 (PD)이 요인이된다. PD는 재료의 대량 또는 재료 층 사이의 공기 갭에서 미세 전이의 고전압 파괴이며, 총 단열 경로의 부분 단락을 유발합니다. PD (코로나 배출)는 약간의 탄소 흔적을 남깁니다. 초기 효과는 눈에 띄지 않지만 약화 된 탄소 추적 단열재가 발생할 때까지 시간이 지남에 따라 축적 될 수 있습니다. 효과는 그림 5에 표시된 Paschen 곡선에 의해 설명되며 특징적인 시작 및 멸종 전압을 갖는다. 그림은 두 가지 예제 필드 강점을 보여줍니다. Paschen 곡선 위의 점수 A는 PD 파괴를 생성 할 가능성이 높습니다.
그림 5 Paschen 곡선 및 예제 전기장 강도.
효과에 대응하기 위해, 매우 높은 전압 등급의 커패시터가 오일 함침되어 층 인터페이스에서 공기를 배제합니다. 저전압 유형은 수지를 채우는 경향이 있으며, 이는 기계적 견고성에도 도움이됩니다. 또 다른 솔루션은 단일 하우징에 직렬 커패시터를 형성하여 각각의 전압 강하를 시작 전압 아래로 효과적으로 감소시키는 것입니다. PD는 전기장 강도로 인한 영향이므로 전압 구배를 줄이기 위해 유전체 두께가 증가하는 것은 항상 가능하지만 커패시터의 전체 크기를 증가시킵니다. 포일과 금속화를 결합하여 피크 전류 기능과자가 치유 사이의 타협을 제공하는 커패시터 설계가 있습니다. 메탈 화는 커패시터의 가장자리에서 등급을 매길 수 있으므로 가장자리의 두꺼운 재료는 납땜 또는 용접에 의해 더 나은 전류 처리와 더 강력한 종료를 제공하며 등급은 연속적이거나 계단화 될 수 있습니다.
아마도 한 걸음 물러서서 Al-electrytic 커패시터를 사용하는 것이 어떻게 유리한 지 관찰하는 것이 유용 할 것입니다. 한 가지 예는 전력 요소가 수정 된 프론트 엔드가있는 90%효율적인 1kW 오프라인 컨버터로, 그림 6과 같이 20ms를 타야합니다. 일반적으로 400V의 공칭 전압, VN, 400V 및 드롭 아웃 전압, VD가있는 내부 DC 버스가 300V의 저소득 조절이 손실됩니다.
벌크 커패시터 C1은 버스 전압이 중단 후 400 ~ 300V로 떨어지기 때문에 지정된 승차 시간 동안 일정한 출력 전력을 유지하기 위해 에너지를 공급합니다. 수학적으로, po t/h = 1/2 c (vn²-vd²) 또는 c = 2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) = 634nf는 450V 등급입니다.
만약에 알-전해 용해 커패시터 사용되면 방정식은 필요한 부피가 약 52 cm3 (즉, 3 in 3)입니다. TDK-EPCOS B43508 시리즈가 사용됩니다. 대조적으로, 필름 커패시터는 TDK-EPCOS B32678 시리즈가 사용되는 경우 총 부피 1,500 cm3 (즉, 3에서 91)의 총 부피로 15 개의 병렬로 15 개의 병렬로 필요합니다. 차이는 분명하지만 커패시터가 DC 라인에서 리플 전압을 제어 해야하는 경우 선택이 변경됩니다. 400-V 버스 전압이 배터리에서 나오는 비슷한 예를 들어 보관할 필요가 없습니다. 그러나, 20 kHz에서 다운 스트림 컨버터에 의해 촬영 된 80 A RMS 고주파 전류 펄스에서 4V 루트 평균 제곱 (RMS)으로 파급 효과를 줄여야 할 필요가있다. 이것은 전기 자동차 적용 일 수 있으며 필요한 커패시턴스는 C = IRMS/VRIPPE.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF에서 근사화 될 수 있습니다.
그림 6 경주를위한 커패시터 (Hold Up). HVDC : 고전압 DC.
180 µF, 450V의 전해질은 주파수 보정 (EPCOS B43508 시리즈)을 포함하여 60 ° C에서 RMS의 약 3.5 A RMS 일 수 있습니다. 따라서, 80A의 경우, 23 개의 커패시터가 병렬로 필요하며, 총 부피가 1,200 cm3 (즉, 3에서 73) 인 불필요한 4,140 µF를 생성합니다. 이것은 전해질에 대한 때때로 인용 된 20 mA/µF 리플-전류 등급을 준수합니다. 필름 커패시터가 고려되는 경우, 이제 EPCOS B32678 시리즈는 402 cm3 (즉, 3에서 24.5)의 부피로 132-A RMS RMS 리플-전류 등급을 제공합니다. 온도가 예를 들어 70 ° C 미만으로 제한되면 더 작은 케이스 크기를 선택할 수 있습니다. 우리가 다른 근거에서 전해질을 선택하더라도 과도한 정전 용량은 Inrush 전류의 에너지를 제어하는 것과 같은 다른 문제를 일으킬 수 있습니다. 물론 일시적 과전압이 발생할 수 있다면 필름 커패시터는 응용 분야에서 훨씬 더 강력 할 것입니다. 이에 대한 예는 가벼운 트랙션으로, 전차와의 간헐적으로 연결되면 DC-Link 연결에 과전압이 발생합니다.
이 예는 무정전 전원 공급 장치, 풍력 및 태양 전력, 용접 및 그리드 묶인 인버터와 같은 많은 환경의 전형적인 것입니다. 필름과 AL 전해질의 비용 차이는 2013 년에 발표 된 수치에서 요약 될 수있다 [2]. 정류 된 440 VAC의 DC 버스의 일반적인 비용은 표 1에서 찾을 수 있습니다.
다른 응용 프로그램은 분리를위한 것입니다 Snubber 회로 변환기 또는 인버터에서. 여기서는 금속 유형에 특수 설계 및 제조 단계가 필요하기 때문에 크기가 허가하는 경우 필름/호일 구조를 사용해야합니다. 분리함에 따라, 커패시터는 DC 버스를 가로 질러 배치되어 고주파 전류를 순환하기위한 낮은 인덕턴스 경로, 일반적으로 100 a 스위치 당 1 µf를 제공합니다. 커패시터가 없으면, 전류는 고도도 루프를 통해 순환하여 다음과 같이 과도 전압 (VTR)을 유발합니다. vtr = -ldi/dt.
현재 1,000 A/µs의 변화가 가능하므로 몇 가지 나노 헨리의 인덕턴스만으로 상당한 전압을 생성 할 수 있습니다. 인쇄 회로 보드 추적은 약 1 nh/mm의 인덕턴스를 가질 수 있으므로이 상황에서 약 1 VTR/mm를 제공 할 수 있습니다. 따라서 연결이 가능한 한 짧아지는 것이 중요합니다. 스위치를 가로 질러 DV/ DT를 제어하기 위해 커패시터 및 저항/ 다이오드 네트워크는 IGBT 또는 MOSFET (그림 7).
이것은 벨소리가 느려지고 전자기 간섭 (EMI)을 제어하며 높은로 인해 스퓨리어스 스위칭을 방지합니다.
그림 7 스위치가 삐걱 거리는 소리. 그림 8 EMI 억제로서의 필름 커패시터. 그림 9 모터 드라이브 EMC 필터링의 필름 커패시터.
DV/DT, 특히 IGBT. 출발점은 종종 스위치 출력 커패시턴스 및 장착 커패시턴스의 합의 Snubber 커패시턴스를 대략 두 배로 만들고, 저항은 모든 울림을 비판적으로 축축하도록 선택됩니다. 보다 최적의 디자인 접근법이 공식화되었습니다.
안전 등급의 폴리 프로필렌 커패시터는 종종 전력선에 걸쳐 차등 모드 EMI를 줄이기 위해 사용됩니다 (그림 8). 일시적인 과전압과자가 치유를 견딜 수있는 능력은 중요합니다. 이 위치의 커패시터는 X1 또는 X2로 평가되며, 이는 각각 4- 및 2.5-kV 과도를 견딜 수 있습니다. 사용 된 값은 종종 높은 전력 수준에서 전형적인 전자기 호환성 (EMC) 표준을 준수하기 위해 마이크로 파라드에 있습니다. 필름 Y 형 커패시터는 유출 전류 고려 사항으로 인해 CA Pacitance 값이 제한되는 공통 모드 노이즈를 약화시키기 위해 라인 간 위치에서 사용될 수 있습니다 (그림 8). Y1 및 Y2 버전은 각각 8- 및 5kV 과도 등급에 대해 제공됩니다. 필름 커패시터의 낮은 연결 인덕턴스 또한 자기보고를 높게 유지하는 데 도움이됩니다.
비 분극 된 커패시터에 대한 증가하는 응용 프로그램은 드라이브 및 인버터의 AC 출력에서 고주파 고주파 고조파를 약화시키기 위해 일련의 인덕터가있는 저역 통과 필터를 형성하는 것입니다 (그림 9). 폴리 프로필렌 커패시터는 종종 신뢰성, 높은 리플-전류 등급 및 애플리케이션의 우수한 부피 효율에 사용되며, 인덕터와 커패시터는 종종 하나의 모듈로 함께 포장됩니다. 모터와 같은 하중은 종종 드라이브 장치에서 멀리 떨어져 있으며 필터는 시스템이 EMC 요구 사항을 충족시키고 과도한 DV/DT 레벨에서 케이블 링 및 모터의 응력을 줄일 수 있도록하는 데 사용됩니다 .
