Prohlížíte si webovou stránku pro zákazníky z: Czech Republic. Na základě údajů o poloze doporučená verze stránek pro Vás je USA / US
Panel zákazníka
Váš košík
Registrace

Pokyny pro projektování DC-Link

2021-01-07

Kemet DC-Link

Kondenzátory DC-Link jsou zásadní etapou při konverzi výkonu v mnoha aplikacích, včetně třífázových střídačů PWM (pro řízení metodou pulzně šířkové modulace), fotovoltaických a větrných invertorů, průmyslových motorových pohonů, automobilových nabíječek a střídačů namontovaných ve vozidle (obr. 1), napájecích zdrojů zdravotnických přístrojů atd. Pro náročné aplikace jsou typické náklady, náročné podmínky okolního prostředí a přísné požadavky na spolehlivost. Ačkoli v konstrukcích obvodů mohou být použity různé technologie, řešením, které je používáno již mnoho let, jsou DC-Link kondenzátory. Kondenzátory DC-Link mohou zlepšit hustotu výkonu v systému a vyřešit fyzické problémy spojené se zvlněními generovanými rychlým přepínáním, které je nedílnou součástí konverze výkonu. Který typ kondenzátorů se nejlépe osvědčí jako DC-Link kondenzátory a proč?

Obrázek 1: Kondenzátory DC-Link tvoří základ pro projektování soustav konverze výkonu pro mnoho aplikací střídačů, včetně těch, které se nacházejí v hybridních a elektrických vozidlech. Podle JP Morgan Chase and Company se do roku 2025 úhrnný podíl hybridních a elektrických vozidel na celkovém prodeji vozidel zvýší na přibližně 30 %. (Zdroj grafiky: afdc.energy.gov)

Automobilový průmysl je dokonalým příkladem využití konverze výkonu v hybridní a elektrické hnací soustavě. Elektrická vozidla vybavená akumulátory mají sadu článků uchovávajících energii pro hnací soustavu, elektrický hnací motor a ovladač výkonu, který je vybavený střídačem. Všechna tato zařízení pracují při vysokém napětí, a to od 48 VDC až do 800 VDC. Vzhledem k fyzickým omezením spojeným s omezením proudu, vysoké napětí koreluje s vysokou účinností. Čím vyšší je provozní napětí stejnosměrného proudu, tím menší je požadovaný průtok proudu pro stejný výstupní výkon (P=VI). Automobilový průmysl je dobře známý tím, že vyžaduje komponenty, které mohou spolehlivě pracovat při extrémně vysokých teplotách, při nepřetržitých vibracích a všude tam, kde jsou vystaveny náročným podmínkám okolního prostředí. Třífázový trakční střídač přeměňuje energii z článku pro pohon motoru a klíčový u této konstrukce je kondenzátor DC-Link.

Na rozdíl od autíček na hraní elektrická vozidla nevyužívají přímo energii nahromaděnou v akumulátoru; je vyžadována konverze. Třífázový střídač pro hybridní / elektrické vozidlo (HEV/EV) se skládá z těchto fází:

  • Fáze I, vstupní, která odvádí stejnosměrné napětí z akumulátoru.
  • Fáze II, která zahajuje konverzi pomoci kondenzátoru DC-Link, jenž filtruje a vyhlazuje stejnosměrné napětí na kolejnicích DC.
  • Fáze III, která iniciuje konverzi pomocí vysoké spínací frekvence (s výstupem podobným výstupu z usměrňovače na kolejnici) a dodává konvertovaný výkon do zátěže, protože zátěž vytváří okamžitou potřebu.

Kondenzátor stejnosměrného proudu musí vyvažovat výkyvy okamžitého výkonu na proudových kolejnicích, které pocházejí z aktivity v první a třetí fázi. Kondenzátor DC-Link stabilizuje „zvlnění“ generované vysokofrekvenčními spínacími obvody, které se vyskytuje ve fázi III. Zvlněný proud / napětí (specifikované při dané frekvenci a teplotě) je celková hodnota kvadratického průměru (RMS) střídavého a stejnosměrného proudu, kterému je kondenzátor schopen odolat bez poruchy.

Jak vypočítat kapacitu potřebnou k vyhlazení napěťových skoků?

Kondenzátor DC-Link (umístěný ve fázi II) musí stabilizovat a vyhlazovat napětí a proud na kolejnicích (tzn. rozpojovat skoky způsobené spínáním). Pomocí této rovnice můžete vypočítat požadovanou minimální elektrickou kapacitu a napětí zvlněného proudu:

kde Cmin = požadovaná minimální kapacita, Iout = výstupní proud, dc = střída signálu, fSW = spínací frekvence, VP(max) = napětí špičkových zvlnění.

Kondenzátor DC-Link je navržen tak, aby stabilizoval napětí stejnosměrného proudu a omezoval jeho kolísání, jelikož střídač sporadicky vyžaduje velký proud. Konstrukce kondenzátoru DC-Link může využívat různé technologie. Na trhu jsou k dispozici hliníkové elektrolytické, fóliové a keramické kondenzátory. Volba není snadná a závisí do značné míry na konkrétní aplikaci.

Výběr vhodného kondenzátoru DC-Link začíná porovnáním jmenovitých hodnot kapacit a napětí, které se promítají do známé hodnoty požadované energie, se současnou snahou o dosažení vysokých jmenovitých napětí zvlněného proudu. Zvlnění v DC-Link uzlech, generované hlavně extrémně rychlým přepínáním IGBT nebo MOSFET ve fázi III, ovlivňuje výkon, protože každý kondenzátor má určitou impedanci (a samoindukčnost). Kondenzátor DC-Link musí regulovat napětí a absorbovat zvlnění proudu.

Zvlnění mění úroveň napětí, ke kterému dochází v kondenzátoru DC-Link, zatímco zvlnění spínacího proudu prochází kondenzátorem (V = IR). Je třeba také zohlednit spínací frekvenci střídače, kterou musí kondenzátor DC-Link tolerovat. Například fóliové kondenzátory nebudou fungovat správně, pokud je spínací frekvence větší než 1 MHz. Dalšími aspekty při výběru kondenzátoru DC-Link jsou znalost požadovaného napětí stejnosměrného proudu na kolejnicích, předpokládaná doba provozu zařízení, maximální možný proud a frekvence vlnění, ke kterému bude docházet v soustavě, a také, zda má generovaný zvlněný proud konstantní nebo přerušovanou charakteristiku.

Technické specifikace lepších kondenzátorů DC-Link by měly indikovat nízkou samoindukčnost, velmi nízký ekvivalentní sériový odpor (ESR) a vysokou toleranci zvlnění proudu, to vše při srovnatelných provozních teplotách a frekvencích (ESR kondenzátoru je celkový vnitřní odpor určený při dané frekvenci a teplotě). Nejnižší možná úroveň ESR minimalizuje uvolňování tepla v podobě rozptýleného výkonu (Prozptýlený =I2 x ESR). Celkově to však znamená, že pro fóliové kondenzátory typu DC-Link je ESR mnohem nižší a zároveň poskytuje dobré kapacitní napětí (CV), které obvykle poskytuje mnohem lepší odezvu na zvlněný proud.

Fóliové kondenzátory typu DC-Link nabízejí vysoké napětí zvlněného proudu a delší životnost než elektrolytické kondenzátorya zároveň poskytují vyšší kapacitu než keramické kondenzátory. Nicméně skutečné požadované charakteristiky související se zvlněním je obtížné předvídat a liší se v závislosti na spínací frekvenci a harmonických proudech generovaných vstupními a výstupní fázemi (tzn. fáze I a III). Kondenzátor DC-Link je prvkem, který redukuje nebo vytváří vhodné proudy. Jiná řešení mohou vést k více trojúhelníkovému průběhu proudové vlny.

Obecně vzato se jmenovité hodnoty kapacity mohou měnit v důsledku změn provozní teploty okolí nebo změn přiváděného napětí a frekvence. Mezi další proměnné, které je třeba vzít v úvahu, patří např. samoindukčnost, jež může podstatně snížit vlastní impedanci kondenzátoru při vysokých frekvencích, a tím měnit očekávané chování kondenzátoru. Bez ohledu na zvolený typ kondenzátoru mohou potlačovače šumu KEMET Flex Suppressors® pomoci snížit vysokofrekvenční šum generovaný okolním prostředím.

Kromě toho je ESR kondenzátor často faktorem omezujícím hodnotu zvlněného napětí (tzn. napětí zvlněného proudu, které může kondenzátor zvládnout bez přehřátí). Aby bylo dosaženo požadované nízké úrovně ESR a dlouhé životnosti s vysokým rozptylem, dosahují fóliové kondenzátory fyzických velikostí, které často způsobují, že takový kondenzátor splňuje nebo překračuje charakteristiku z hlediska napětí zvlněného proudu nebo záložní doby.

A ještě poslední věc – v každém vysoce výkonném zařízení je třeba zvážit, zda je zajištěno chlazení, a pokud ano, jakého typu? Při výběru vhodného kondenzátoru DC-Link věnujte zvláštní pozornost teplotnímu profilu okolí.

Kondenzátory pro náročné konstrukce střídačů

Na trhu existuje několik druhů kondenzátorů. Nicméně, ne všechny jsou vhodné pro vysokonapěťové střídače. Výběr vhodných vícevrstvých keramických kondenzátorů s požadovanou charakteristikou napětí, teploty a spolehlivosti je poměrně omezený. Pro aplikace typu DC-Link jsou vhodné elektrolytické kondenzátory. Bohužel, ne všechny elektrolytické kondenzátory se osvědčí u tohoto typu aplikace. Klasické fóliové kondenzátory byly v minulosti omezeny nízkými provozními teplotami, ale tato technologie se vyvíjela rychleji než elektrolytické kondenzátory. Nejnovější fóliové kondenzátory, jako jsou například C4AE firmy KEMET, mohou poskytnout lepší účinnost konstrukce. Kondenzátory s metalizovanou fólií jsou menší než elektrolytické kondenzátory, avšak nabízejí podobné funkce. I když lze stability napětí dosáhnout použitím velkého elektrolytického kondenzátoru, velké součásti by snížily například hustotu výkonu střídače automobilu. Velikost a hmotnost součástí ovlivňuje celkové možnosti a hodnotu vozidla.

Fóliové kondenzátory mají také delší životnost než elektrolytické kondenzátory, a to hlavně proto, že jsou vyrobeny z kovových vrstev nanášených na materiál podloží odpařováním. Vzhledem k vysoké úrovni energie uložené mezi ultralehkými vrstvami kovu může být vnitřní zkrat přirozeným způsobem samočinně opravován, protože malé poruchy jsou korigovány během mikrosekund bez znatelné změny výkonu. Fóliové kondenzátory jsou také vhodné pro vysokonapěťové pulzní aplikace a související s nimi bezpečnostní problémy, protože jsou schopny odolávat nenadálým přepětím a přechodovým stavům. Fóliové kondenzátory nejsou polarizované, mohou mít delší provozní životnost (navíc prodlouženou snížením jmenovitých hodnot), zvýšenou proudovou zatížitelnost, zajišťují stabilní provoz v širším teplotním rozsahu a nabízejí lepší mechanickou stabilitu než elektrolytické kondenzátory. Mezi další přednosti patří široký výběr možností montáže fóliových kondenzátorů. A co je zvláště důležité pro použití v hybridních a elektrických vozidlech, robustní fóliové kondenzátory spolupracují s proudovými kolejnicemi s napětím překračujícím 500 VDC.

Dobrým příkladem fóliových kondenzátorů vhodných pro hybridní a elektrická vozidla jsou fóliové kondenzátory KEMET C4AQ, které splňují standard AEC-Q200 pro automobilové aplikace a mají několik důležitých předností z hlediska architektury DC-Link. Jak bylo uvedeno výše, kondenzátory C4AQ firmy KEMET mají všechny vynikající přednosti, které jsou připisovány fóliovým kondenzátorům. Alternativou tohoto řešení jsou napájecí fóliové kondenzátory KEMET C4AE, které jsou podobné kondenzátorům řady C4AQ, ale nejsou určeny pro použití v automobilovém průmyslu. K jiným kondenzátorům, vhodným k použití DC-Link nesouvisejícímu s automobilovým průmyslem, patří model CKC Ceramic KC-LINK a šroubové fóliové kondenzátory C44U a C4DE.

Sledování výkonu může být rozhodující pro správnou funkci vysoce výkonných střídačů. Stojí za to zmínit, že čidla s vysokým napětím řady CT firmy KEMET umožňují měření proudu v reálném čase v kabelu pod napětím.

Jak bylo uvedeno výše, výběr vhodného kondenzátoru DC-Link může být obtížným, ale nesmírně důležitým procesem. KEMET nabízí společně se společností TME produkty a pomoc nezbytnou pro zefektivnění tohoto procesu.

TAKÉ SI PŘEČTĚTE

Váš prohlížeč již není podporován, stáhněte si novou verzi