U bekijkt de website voor klanten uit: Netherlands. Op basis van uw locatiegegevens is de voorgestelde pagina voor u USA / US
Klantpaneel
In uw winkelwagen
Laat zich registreren

Aanwijzingen voor het ontwerpen van DC-Link

2021-01-07

Kemet DC-Link

DC-Link-condensatoren zijn een essentiële fase in de stroomconversie in veel toepassingen, waaronder driefasige PWM-omvormers (voor besturing van pulsbreedtemodulatie), fotovoltaïsche en windomvormers, industriële motoraandrijvingen, autoladers en in voertuigen gemonteerde omvormers (afb. 1), voedingen voor medische apparatuur etc. Veeleisende toepassingen kenmerken zich door hun kosten, zware omgevingsomstandigheden en restrictieve eisen aan de betrouwbaarheid. Hoewel bij het ontwerpen van schakelingen verschillende technologieën kunnen worden gebruikt, voeren DC-Link-condensatoren al jaren de boventoon. DC-Link-condensatoren kunnen de vermogensdichtheid in het systeem verbeteren en fysieke problemen oplossen die samenhangen met de rimpeling die wordt gegenereerd door snelle schakelingen en die inherent zijn aan vermogensomzetting. Welk type condensator werkt het beste als DC-Link-condensator en waarom?

Afbeelding 1: DC-Link-condensatoren vormen de basis voor het ontwerpen van stroomconversiesystemen voor vele omvormertoepassingen, inclusief systemen voor hybride en elektrische voertuigen. Volgens JP Morgan Chase and Company zal het gecombineerde aandeel van hybride en elektrische voertuigen in de totale voertuigverkoop in 2025 zijn gestegen tot ongeveer 30%. (Bron van de afbeelding: afdc.energy.gov)

De auto-industrie is een uitstekend voorbeeld van het gebruik van stroomconversie in hybride en elektrische aandrijfsystemen. Elektrische voertuigen die zijn uitgerust met accu's hebben een set cellen voor de opslag van energie voor het aandrijfsysteem, een elektrische aandrijfmotor en een vermogensregelaar die is uitgerust met een omvormer. Al deze apparaten werken bij hoge spanningen van 48 V DC tot maar liefst 800 V DC. Door de fysieke beperkingen die gepaard gaan met stroombegrenzing is er een correlatie tussen hoge spanning en hoog rendement. Hoe hoger de DC-bedrijfsspanning, hoe minder stroom er nodig is voor hetzelfde uitgangsvermogen (P=VI). De auto-industrie vereist componenten die betrouwbaar werken bij extreem hoge temperaturen, bij doorlopend aanwezige trillingen en op plekken waar ze worden blootgesteld aan zware omgevingsomstandigheden. De driefasige tractieomvormer zet de energie uit de cel om in aandrijving van de motor en de DC-Link-condensator is essentieel in dit ontwerp.

In tegenstelling tot speelgoedauto's werken elektrische voertuigen niet rechtstreeks met de energie die in de batterij is opgeslagen; conversie is noodzakelijk. De 3-fasenomvormer voor een hybride/elektrisch voertuig (HEV/EV) bestaat uit de volgende fasen:

  • Fase I, de ingangsfase die de DC-spanning uit de batterij haalt.
  • Fase II die de conversie start met behulp van een DC-Link-condensator die de gelijkspanning op de DC-rails filtert en afvlakt.
  • Fase III die de omzetting in gang zet door middel van een hoge schakelfrequentie (met een uitgang die vergelijkbaar is met die van een gelijkrichter naar een rail) en het omgezette vermogen aan de belasting levert, omdat de belasting een onmiddellijke behoefte creëert.

De gelijkstroomcondensator moet de schommelingen in het momentane vermogen op de stroomrails van de eerste en derde fase compenseren. Een DC-Link-condensator stabiliseert de "rimpeling" die wordt gegenereerd door de in fase III aanwezige hoge schakelfrequentiecircuits. De rimpelstroom/spanning (bepaald bij een bepaalde frequentie en temperatuur) is de totale RMS-waarde van de wisselstroom en gelijkstroom die een condensator kan weerstaan zonder storing.

Hoe bereken ik de capaciteit die nodig is om de spanningspieken af te vlakken?

De DC-Link-condensator (die zich in fase II bevindt) moet de spanning en de stroom op de rails stabiliseren en afvlakken (d.w.z. de door het schakelen veroorzaakte sprongen uitschakelen). Met deze vergelijking kunt u het vereiste minimale elektrische vermogen en de rimpelspanning berekenen:

waarbij Cmin = vereiste minimale capaciteit, Iout = uitgangsstroom, dc = arbeidscyclus, fSW = schakelfrequentie, VP(max) = piekrimpelspanning.

De DC-Link-condensator is ontworpen om de gelijkspanning te stabiliseren en de fluctuaties ervan te beperken, omdat de omvormer af en toe een grote stroom nodig heeft. In de constructie van de DC-Link-condensator kan gebruik zijn gemaakt van verschillende technologieën. Er zijn aluminium elektrolytische, folie- en keramische condensatoren op de markt. De keuze is niet eenvoudig en hangt grotendeels af van de toepassing.

Het kiezen van de juiste DC-Link-condensator begint met het vergelijken van de nominale waarden voor capaciteit en spanning die zich vertalen in een bekende energiebehoefte, terwijl wordt gestreefd naar een hoge nominale rimpelstroom. De rimpeling in DC-Link-knooppunten die voornamelijk wordt gegenereerd door extreem snel schakelen van IGBTs of MOSFETs in fase III, beïnvloedt de prestaties omdat elke condensator een bepaalde impedantie (en zelfinductie) heeft. De DC-Link-condensator moet de spanning regelen en de rimpeling absorberen.

De rimpeling verandert het spanningsniveau dat optreedt in de DC-Link-condensator als de rimpeling van de schakelstroom zich door de condensator verplaatst (V = IR). U moet verder ook rekening houden met de schakelfrequenties van de omvormer die de DC-Link-condensator moet kunnen verdragen. Foliecondensatoren zullen bijvoorbeeld niet goed werken als de schakelfrequentie groter is dan 1 MHz. Andere overwegingen bij het kiezen van een DC-Link-condensator zijn de vereiste DC-spanning op de rails, de verwachte levensduur van het apparaat, de maximaal mogelijke stroom en frequentie van de rimpelingen die in het systeem zullen optreden en of de gegenereerde rimpelstroom een constante of onderbroken karakteristiek heeft.

De technische specificaties van de betere DC-Link-condensatoren moeten wijzen op een lage zelfinductie, een zeer lage equivalente seriële weerstand (ESR) en een hoge rimpeltolerantie, dit alles bij vergelijkbare bedrijfstemperaturen en -frequenties (de ESR van een condensator is de totale interne weerstand bij een bepaalde frequentie en temperatuur). Het laagst mogelijke ESR-niveau minimaliseert warmteafgifte in de vorm van dissipatie (PDissipatie =I2 x ESR). In het algemeen betekent dit echter dat de ESR voor DC-Link-foliecondensatoren veel lager is, terwijl hij tegelijkertijd zorgt voor een goede capacitieve spanning (CV) die gewoonlijk een aanzienlijk betere reactie op rimpelstroom oplevert.

DC-Link-foliecondensatoren bieden een hoge rimpelspanning en een langere levensduur dan elektrolytische condensatoren, terwijl ze tegelijkertijd een hogere capaciteit hebben dan keramische condensatoren. De werkelijk vereiste karakteristiek in verband met de rimpelspanning is echter moeilijk te voorspellen en varieert afhankelijk van de schakelfrequentie en de stroomharmonischen die door de in- en uitgangsfasen (d.w.z. fase I en III) worden opgewekt. Een DC-Link-condensator is een component die de betreffende stromen verlaagt of genereert. Andere oplossingen kunnen resulteren in een meer driehoekige verloop van de stroomgolf.

In het algemeen kunnen nominale capaciteitswaarden veranderen door wijzigingen van de omgevingstemperatuur of door verandering van de toegevoerde spanning en frequentie. Andere variabelen waarmee u rekening moet houden, zijn bijvoorbeeld de zelfinductie die de effectieve impedantie van een condensator bij hoge frequenties aanzienlijk kan verminderen, waardoor het verwachte gedrag van de condensator verandert. Ongeacht het gekozen type condensator kunnen ruisonderdrukker als KEMET Flex Suppressors® helpen om de hoogfrequente ruis te verminderen die wordt gegenereerd door de omringende omgeving.

Bovendien is de ESR van een condensator vaak een beperkende factor voor de nominale rimpelspanning (d.w.z. de rimpelspanning die een condensator aankan zonder dat hij oververhit raakt). Om de gewenste lage ESR en lange levensduur bij een hoge dissipatie te verkrijgen, hebben de foliecondensatoren fysieke afmetingen die vaak veroorzaken dat een dergelijke condensator voldoet aan de karakteristiek op het gebied van rimpelspanning of back-uptijd of deze overschrijdt.

En nog een laatste puntje: bij elk apparaat met een hoog vermogen moet worden overwogen of er koeling nodig is, en zo ja, welk type? Bij het selecteren van een geschikte DC-Link-condensator moet u zeker aandacht besteden aan het omgevingstemperatuurprofiel.

Condensatoren voor veeleisende omvormerontwerpen

Op de markt zijn vele soorten condensatoren verkrijgbaar. Ze zijn echter niet allemaal geschikt voor hoogspanningsomvormers. De keuze aan geschikte meerlaagse keramische condensatoren met de gewenste spannings-, temperatuur- en betrouwbaarheidskenmerken is vrij beperkt. Voor toepassingen van het type DC-Link zijn elektrolytische condensatoren geschikt. Helaas zijn niet alle elektrolytische condensatoren geschikt voor dit soort toepassingen. Traditionele foliecondensatoren werden in het verleden beperkt door lage bedrijfstemperaturen, maar hun technologie heeft zich sneller ontwikkeld dan die van de elektrolytische condensatoren. De nieuwste foliecondensatoren, zoals C4AE van KEMET, kunnen zorgen voor betere prestaties van de constructie. Gemetalliseerde foliecondensatoren zijn kleiner dan elektrolytische condensatoren en bieden vergelijkbare functies.. Hoewel spanningsstabiliteit kan worden bereikt door een grote elektrolytische condensator te gebruiken, verminderen componenten van grote afmetingen de vermogensdichtheid van bijvoorbeeld een auto-omvormer. De grootte en het gewicht van de onderdelen zijn van invloed op de algehele prestaties en waarde van het voertuig.

Foliecondensatoren hebben ook een langere levensduur dan elektrolytische condensatoren, hoofdzakelijk omdat ze zijn gemaakt van metaallagen die door verdamping op het substraatmateriaal zijn afgezet. Door het hoge niveau van de energie die tussen de ultralichte metaallagen is opgeslagen, wordt de interne kortsluiting op natuurlijke wijze automatisch gecorrigeerd, omdat kleine fouten binnen microseconden worden gecorrigeerd zonder merkbare verandering van de prestaties. Foliecondensatoren zijn ook geschikt voor pulserende hoogspanningstoepassingen en de daarmee gepaard gaande veiligheidsproblemen, omdat ze bestand zijn tegen plotselinge overspanningen en transiënten. Foliecondensatoren zijn niet gepolariseerd, kunnen een langere levensduur (extra verlengd door verlaging van de nominale waarden) en verhoogde stroombelastbaarheid hebben, zorgen voor stabiele werking in een groter temperatuurbereik en bieden betere mechanische stabiliteit dan elektrolytische condensatoren. Bijkomend voordeel is het brede scala aan montagemethoden voor foliecondensatoren. En vooral belangrijk voor toepassingen in hybride en elektrische voertuigen: robuuste foliecondensatoren die werken met stroomrails met een spanning van meer dan 500 V DC.

Een goed voorbeeld van foliecondensatoren die geschikt zijn voor hybride en elektrische voertuigen zijn de foliecondensatoren KEMET C4AQ die voldoen aan de eisen uit de norm AEC-Q200 voor toepassing in de auto-industrie en die enkele essentiële voordelen hebben op het gebied van de DC-Link-architectuur. Zoals eerder al gezegd hebben de C4AQ-condensatoren van KEMET alle uitstekende voordelen die aan foliecondensatoren worden toegeschreven. Een alternatief voor deze oplossing zijn de voedingscondensatoren KEMET C4AE. Ze lijken op de condensatoren uit de serie C4AQ, maar zijn echter niet geschikt voor toepassing in de auto-industrie. Andere condensatoren die geschikt zijn voor DC-Link-\toepassingen die geen verband houden met de auto-industrie zijn het model CKC Ceramic KC-LINK en de ingekapselde foliecondensatoren C44U en C4DE.

Functiebewaking kan van cruciaal belang zijn voor de goede werking van hoogvermogenomvormers. Het is het vermelden waard dat de krachtstroomsensors van de serie CT van KEMET realtime stroommeting mogelijk maakt in kabel die onder spanning staat.

Zoals hierboven besproken, kan het selecteren van de juiste DC-Link-condensator een moeilijk maar uiterst belangrijk proces zijn. KEMET biedt, samen met TME, producten en ondersteuning die hiervoor onmisbaar zijn.

VERDER LEZEN

Uw browser wordt niet meer ondersteund, download een nieuwe versie

Chrome Chrome Download
Firefox Firefox Download
Internet explorer Internet Explorer Download