Ország, amelynek oldalán vagy: Hungary. Számodra javasolt verzió USA / US
Vevői fiók
A TE kosaradban
Regisztráció

DC-Link tervezési tippek

2021-01-07

Kemet DC-Link

A DC-Link kondenzátorok az energiaátalakítás elengedhetetlen lépését jelentik számos alkalmazás esetében, ideértve a háromfázisú impulzusszélesség-modulációs (PWM) invertereket, a fotovoltaikus és szélenergiás invertereket, ipari motoros hajtásokat, autóipari fedélzeti töltőket és invertereket (1. ábra), orvosi berendezések tápegységeit stb. Az igényes alkalmazások költségekkel, nehéz környezeti tényezők mellett szigorú megbízhatósági korlátokkal rendelkeznek. Bár az áramköri kivitelek különböző megközelítéseket alkalmazhatnak, az áramátalakítás hosszú távú magja magában foglalja a DC-Link kondenzátorokat. A DC-Link kondenzátorok javíthatják a rendszer energiasűrűségét és megoldhatják a hullámosságok fizikai kihívásait, amelyek a gyors kapcsolások teljesítménykonverziójának velejárói. De milyen kondenzátor működik jól, mint DC-Link, és miért?

1. ábra: A DC-Link kondenzátorok az energiaátalakítás tervezésének fontos sarokkövei számos inverteres alkalmazásban, beleértve a hibrid elektromos (HEV) és elektromos járműveket (EV) is. A JP Morgan Chase and Company becslése szerint a hibrid elektromos autók és az elektromos autók 2025-re a teljes járműértékesítés 30%-át teszik majd ki. (kép forrása: afdc.energy.gov)

Az autóiparban az erőátalakítás egyik fő példája a hibrid és elektromos hajtáslánc. Az akkumulátoros elektromos járművek tartalmaznak egy újratölthető akkumulátorkészletet a hajtórendszer energiájának tárolására, egy elektromos hajtómotort és egy invertert tartalmazó teljesítményszabályozót. Ezek mind magasfeszültségen működnek, amelyek 48 VDC-től 800 VDC-ig terjednek. Az áramot korlátozó fizikai korlátok miatt a nagyfeszültség korrelál a nagy teljesítménnyel. Minél nagyobb az üzemi egyenfeszültség, annál alacsonyabb a szükséges átfolyó áram ugyanahhoz a kimenethez (P=VI). Az autóiparban közismerten szükség van olyan alkatrészekre, amelyek rendkívül megbízhatóan, rendkívül magas hőmérsékleten, folyamatos rezgés mellett képesek működni, és ahol az alkatrészek zord környezeti feltételeknek vannak kitéve. A háromfokozatú vontató inverter átalakítja az akkumulátor energiáját a motor hajtásához, a DC-Link kondenzátor pedig kulcsfontosságú ebben a kialakításban.

Egy játékautóval ellentétben az elektromos járművek nem közvetlenül az akkumulátorban tárolt energiával működnek; átalakításra van szükség. A hibrid/elektromos járművek (HEV/EV) háromfokozatú invertere a következőkből áll:

  • Az I. szakasz az a bemeneti fokozat, amely egyenfeszültséget ad ki az akkumulátorból.
  • A II. szakasz megkezdi az átalakítást a DC-Link kondenzátorral, amely kiszűri és kisimítja az egyenáramú feszültséget az egyenáramú busz sínein.
  • A III. szakasz nagyfrekvenciás kapcsolással kezdi meg az átalakítást (a kimenet nagyjából olyan, mint az egyenirányító a sínek felé), és az invertált energiát eljuttatja a terheléshez, mivel a terhelés pillanatnyi igényeket generál.

A DC-link kondenzátornak egyensúlyba kell hoznia az ingadozó pillanatnyi teljesítményt a síneken, amelyet az első és a harmadik fokozat aktivitása injektál. A DC-Link kondenzátor stabilizálja a „fodrozódást”, amelyet a III. szakasz magasfrekvenciás áramkapcsoló áramkörei generálnak. A búgóáram/feszültség (adott frekvencián és hőmérsékleten megadva) a Root Mean Square (RMS) váltakozó és egyenáram vagy -feszültség teljes mennyisége, amelyet a kondenzátor meg tud állni meghibásodás nélkül.

Hogyan lehet kiszámítani a feszültségcsúcsok simításához szükséges kapacitást?

A DC -Link kondenzátornak (a II. szakaszban található) stabilizálnia kell és ki kell simítania a síneken lévő feszültséget és áramot (vagyis a kapcsolás okozta tüskék leválasztását). Az alábbi egyenlet segítségével kiszámíthatja a szükséges minimális kapacitást és a búgófeszültséget:

ahol Cmin = szükséges minimális kapacitás, Iout = kimeneti áram, dc = aktív ciklusidő, fSW = kapcsolási frekvencia, VP(max) = csúcstól-csúcsig búgófeszültség.

A DC-link kondenzátor célja stabilabb egyenfeszültség biztosítása, korlátozva az ingadozásokat, mivel az inverter szórványosan nagy áramot igényel. A tervezés különböző technológiákat alkalmazhat a DC-Link kondenzátoroknál, például alumínium elektrolit, film és kerámia típusokat. A választás nem könnyű, és nagyban függ az alkalmazástól. A legjobb DC-Link kondenzátor megtalálása azzal kezdődik, hogy összehasonlítja a névleges kapacitási értékeket és az ismert energiaigényt jelentő feszültségértékeket, miközben felveszi a magas hullámáramot is.

A DC-Link csomópontok hullámai, amelyeket elsősorban a III. szakaszban kifejezetten gyorskapcsoló IGBT vagy MOSFET generál, befolyásolja a teljesítményt, mert minden valódi kondenzátornak van valamilyen impedanciája (és saját induktivitása). A DC-Link kondenzátornak szabályoznia kell a feszültséget és el kell nyelnie az áramban keletkező hullámokat is.

A hullámzás következtében a DC-Link kondenzátoron megjelenő feszültség szintje ingadozik, miközben a kapcsolóáram hullámzása a kondenzátoron halad (V=IR). Figyelembe kell venni az inverter kapcsolási frekvenciáit is, amelyeket a DC-Link kondenzátornak kell tolerálnia. Fóliakondenzátorok például nem képesek megfelelően működni, ha a kapcsolási frekvencia nagyobb, mint 1MHz. A DC-Link kondenzátor kiválasztásának további szempontjai: a síneknél szükséges egyenfeszültség ismerete, az alkalmazás várható élettartama, a rendszer által tapasztalt maximális lehetséges hullámáram és frekvencia, valamint hogy a generált hullámáram állandó állapot vagy szakaszos.

A jobb DC-Link kondenzátorok adatlapjainak alacsony öninduktivitást, nagyon alacsony egyenértékű sorozatú ellenállást (ESR) és magas hullámáram-tűrést kell tartalmazniuk, összehasonlítható működési hőmérsékleten és frekvencián az összehasonlított alkatrészek között. (A kondenzátor ESR-je a teljes belső ellenállás, amelyet egy adott frekvencián és hőmérsékleten határoznak meg.) A lehető legalacsonyabb ESR minimálisra csökkenti a leadott hőt disszipált teljesítmény formájában (Pdisszipált =I2 x ESR) . Az általános kompromisszumok azonban azt jelentik, hogy a DC-Link fóliakondenzátoroknál az ESR lényegesen alacsonyabb, miközben jó kapacitási feszültség (CV) besorolást biztosít, ami általában sokkal jobb választ ad a hullámáramra.

Így a DC-Link fóliakondenzátorok nagy hullámáramot és hosszabb élettartamot tesznek lehetővé, mint az elektrolit kondenzátorok, ugyanakkor magasabb kapacitási értéket is biztosítanak, mint a kerámia típusú kondenzátorok. Ennek ellenére a hullámáram-besorolás tényleges követelményét nehéz megjósolni, és változik a kapcsolási frekvenciától és a bemeneti és kimeneti fokozatok (azaz az I. és III. szakasz) által generált hullámoktól függően. A DC-Link kondenzátor az az elem, amely csökkenti vagy előhozza a megfelelő áramot. Más megoldásoknak inkább háromszög hullámformája lehet.

Általában a névleges kapacitás értékek változhatnak a környezeti üzemi hőmérséklet változásai vagy az alkalmazott feszültség és frekvencia változásai miatt. Egyéb megfontolandó változók: az öninduktivitás jelentősen csökkentheti a kondenzátor effektív impedanciáját magas frekvenciákon, megváltoztatva ezzel a kondenzátor várható viselkedését. A választott kondenzátor típusától függetlenül az olyan zajcsökkentők, mint a KEMET Flex Suppressors®, segíthetnek elnyomni a környezet által generált magasfrekvenciás zajokat.

Mindezen felül a kondenzátor ESR-je gyakran korlátozó tényező a hullámáram-besorolásnál (vagyis az a búgóáram, amelyet a kondenzátor túlmelegedés nélkül képes kezelni). Nagy disszipáció mellett a szükséges alacsony ESR és a hosszú élettartam eléréséhez a fóliakondenzátor fizikai mérete gyakran olyan kondenzátort eredményez, amely már megfelel a feszültség hullámosságának, esetleg meg is haladja azt vagy a kalkulációkat.

Végül pedig bármilyen nagyteljesítményű kivitelnél mérlegelni kell, hogy biztosított-e hűtés, és ha igen, milyen típusú? A környezeti hőmérsékleti profil fontos ahhoz, hogy megfelelő figyelmet fordíthassunk a legjobb DC-Link kondenzátor kiválasztására.

Kondenzátorok igényes inverteres kivitelekhez

Számos kondenzátor kapható a piacon, nagyfeszültségű inverterekhez azonban nem mindegyik alkalmas. A megfelelő többrétegű kerámia kondenzátorok készlete, a szükséges feszültséggel, hőmérsékleti értékekkel és megbízhatósággal már korlátozott. Az elektrolit kondenzátor megfelelő választás DC-Link alkalmazáshoz. Azonban nem minden elektrolit kondenzátor felel meg valamennyi kritériumnak. A hagyományos fóliakondenzátor a múltban alacsonyabb üzemi hőmérsékletekre korlátozódott, de technológiája gyorsabban haladt előre, mint az elektrolitok esetében. A legújabb fóliakondenzátorok, mint például a KEMET C4AE tervezése jobb fogadtatást kaptak. A fémezett film kondenzátorok kisebbek, mint a hasonló funkcionalitást biztosító elektrolit kondenzátorok. Bár nagy feszültségstabilitást lehet elérni egy nagy elektrolit kondenzátor használatával, a nagy alkatrészek csökkentenék például az autóipari inverter teljesítménysűrűségét. Az alkatrészek mérete és súlya hozzájárul az autó általános képességeihez és értékéhez is.

A fóliakondenzátorok élettartama is hosszabb, mint az elektrolitoké, főleg azért, mert a hordozóanyag fölött ezek felgőzölt fémrétegekből vannak kialakítva. Az ultravékony fémrétegek között tárolt magas szintű energia miatt a belső rövidzárlat természetesen önmagában is korrigálható, mivel az apró hibák mikroszekundumok alatt elpárolognak a teljesítményben észrevehető változások nélkül. A fóliakondenzátorok alkalmasak nagyfeszültségű pulzáló alkalmazásokhoz és a megfelelő biztonsági vonatkozásokhoz is, mivel ellenállnak a gyors túlfeszültségnek és a tranzienseknek. A fóliakondenzátorok nincsenek polarizálva, hosszabb működési élettartammal bírnak (még inkább derating esetén), megnövelt áramerősséggel, stabilabb működést biztosíthatnak szélesebb hőmérsékleti tartományban és jobb mechanikai stabilitást kínálnak, mint az elektrolit kondenzátorok. További előnyök a fóliakondenzátorok szerelésének széles választéka. A HEV/EV szempontjából különösen fontos, hogy a robusztus fóliakondenzátorok 500 VDC-t meghaladó feszültségbusz-szinteken álljanak rendelkezésre.

Jó példa a HEV/EV-hez alkalmas fóliakondenzátorokra a KEMET C4AQ fóliakondenzátor, amely AEC-Q200 besorolással rendelkezik autóipari alkalmazásokhoz és számos további jelentős előnnyel bír a DC-Link architektúrákban. Amint fentebb említettük, a KEMET C4AQ kondenzátorainak minden előnye a fóliakondenzátoroknak tulajdonítható. Alternatív megoldásként a KEMET C4AE teljesítmény fóliakondenzátorai hasonlóak a C4AQ kondenzátorok sorozatához, de nem autóipari besorolásúak. A DC-Link alkalmazásokhoz szánt egyéb, nem autóipari felhasználású kondenzátorok közé tartozik a CKC Kerámia KC-LINK valamint a C44U és C4DE hengeres fóliakondenzátorok.

A monitorozás kritikus fontosságú lehet egy nagyteljesítményű inverter tervezésének sikeres működése szempontjából. Meg kell jegyezni, hogy a KEMET CT sorozatú nagyáramú érintkezői lehetővé teszik a valós idejű árammérést feszültség alatt álló vezetékben.

Amint azt fentebb bemutattuk, a megfelelő DC-Link kondenzátor kiválasztása bár bonyolult, de kritikus fontosságú folyamat. A KEMET, a TME-vel együttműködve biztosítja a szükséges termékeket és szakembereket, hogy észszerűsíthesse ezt a folyamatot Önökkel, Önökért.

EZT IS OLVASD EL

A Te böngésződ már elavult, tölts le egy újabb verziót

Firefox Firefox Letöltés
Internet explorer Internet Explorer Letöltés