Lad ikke DC-linkkondensatorerer være det svage led i dit effektkonverterdesign

Jævnstrøm (DC) forbindelseskondensatorer er en kritisk komponent i mange applikationer, herunder trefasede invertere for motordrev til elektriske køretøjer (EV), fotovoltaiske og vindkraftinvertere, industrielle motordrev, automotive On-Board opladere og strømforsyninger til medicinsk eller industrielt udstyr. Det er vigtigt at følge med i den seneste udvikling. Hvis de ikke implementeres korrekt, kan DC-linkkondensatorer være et "svagt led", der reducerer energitæthed og pålidelighed.

Desværre for designere, er fremskridt inden for kondensatorteknologi langsom og kan let overses, især sammenlignet med halvlederteknologi, der skrider frem i et hurtigt tempo. Som en yderligere udfordring udvikler forskellige kondensatorteknologier sig i forskelligt tempo: aluminiumelektrolytik er en mere moden og langsommere udviklende teknologi, mens filmkondensatorer og flerlags keramiske kondensatorer (MLCC'er) udvikler sig hurtigere. Elektrolytiske kondensatorer af aluminium tilbyder typisk større kapacitans pr. volumenenhed og højere energitætheder sammenlignet med filmkondensatorer og MLCC'er; men afvejningerne er ikke faste.

For eksempel ved opgradering af strømafbrydere med enheder med højere frekvens – såsom at erstatte IGBT'er med MOSFET'er eller udskifte siliciumenheder med strømafbrydere med bredt båndgab (WBG) – kan det være et godt tidspunkt at genoverveje tidligere valg for DC-linkkondensatorer. Hver DC-Link-kondensatorteknologi tilbyder et unikt sæt af muligheder (figur 1).

Figur 1: Sammenligning af DC-Linkkondensatorer, der viser spænding vs kapacitans for de vigtigste teknologier. CeraLink kondensatorer fra TDK er MLCC'er optimeret til DC-link-applikationer. (Billedkilde: TDK Corporation)

Aluminium elektrolytisk ('lytter) er de mest almindelige DC forbindelseskondensatorer. De tilbyder en kombination af høj energitæthed og lave omkostninger. De bruges ofte til industrielle motordrev, uafbrudte strømforsyninger (UPS'er) og en række forskellige forbruger-, kommercielle og industrielle applikationer. Imidlertid kan deres relativt korte levetid og lavfrekvente drift udelukke 'lytter fra overvejelse til mere krævende applikationer.

Filmkondensatorer findes ofte som DC-link-elementet i mere krævende applikationer såsom EV-trækdrev. Filmkondensatorer har højere pålidelighed, høj strømledningsevne, lavere ækvivalent seriemodstand (ESR) og kan bruges ved højere frekvenser sammenlignet med 'lytter. Men ligesom 'lytter har filmkondensatorer relativt lave driftstemperaturer på omkring 105 grader Celsius (°C).

MLCC'er præsenterer en tredje mulighed. Disse kondensatorer har en højere rms-strømværdi og kan modstå højere temperaturer end andre kondensatorer. Ulempen er, at det kan tage et relativt stort antal MLCC'er for en given energitæthed, hvilket gør det udfordrende at implementere et kondensatorlayout, der sikrer ensartet strømfordeling. Derudover kan der være pålidelighedsproblemer forbundet med MLCC'er; det keramiske dielektriske materiale er stift og kan revne på grund af mekaniske eller termiske spændinger, hvilket skaber en kortslutning mellem terminalerne.

Det er tydeligt, at den "perfekte" kondensatorteknologi for alle DC-link-applikationer ikke eksisterer. For at nå frem til den bedste designløsning til et givet projekt skal man gennemgå de seneste teknologiske fremskridt og produktudviklinger. Så lad os overveje nogle af afvejningerne og mulighederne for repræsentative enhedstyper, herunder aluminiumelektrolytik fra Cornell Dubilier Electronics, film fra KEMET, og MLCC'er fra TDK Corporation.

Elektrolytter til design med høj rippel

Til applikationer med høje rippelstrømme kan du bruge 381LR-serien fra Cornell Dubilier Electronics, der er normeret til 200 til 450 Vdc og 56 til 2.200 mikrofarad (µF) og kan håndtere mindst 25 % mere rippelstrøm sammenlignet med standard 105 °C snap-in 'lytter (figur 2). Nylige fremskridt inden for elektrolytformuleringer er nøglen til den lave ESR, der giver disse kondensatorer deres rippelstrømsevne. Dette betyder, at der er behov for færre kondensatorer i motordrev, UPS'er (Uninterruptible Power Supplies) og andre applikationer med høj rippelstrøm.

Figur 2: 381LR aluminium elektrolytiske kondensatorer er normeret til 200 til 450 volt DC og 56 til 2.200 µF. (Billedkilde: Jeff Shepard, baseret på kildemateriale fra Cornell Dubilier Electronics)

Filmkondensatorer til trækdrev til biler

Hvis du designer systemer til barske miljøer såsom trækkraftdrev til biler, er KEMET DC link C4AK filmkondensatorer med en levetid på 4.000 timer ved 125 °C og 1000 timer ved 135 °C en god mulighed (figur 3). Disse enheder er designet med kompakte systemdesign og har et radialt boksformat til printkortmontering med en lav profil og muliggør brug af færre kondensatorer parallelt til at håndtere spids- og rippelstrømme.

Figur 3: KEMET DC link C4AK filmkondensatorserien har en levetid på 4.000 timer ved 125 °C og 1000 timer ved 135 °C. (Billedkilde: KEMET)

C4AK DC-linkkondensatorer er designet til brug i højfrekvente, stærkstrøms EV-systemeffektkonvertere, fotovoltaiske og brændselscelle-invertere, energilagringssystemer, trådløs strømtransmission og andre industrielle applikationer.

MLCC'er til hurtige WBG-halvledere

Ved brug af WBG'er kan CeraLink FA (flex assembly) familien fra TDK Corporation levere en passende løsning. Familien inkluderer kapacitansværdier fra 0,25 µF op til 10 µF og nominelle spændinger mellem 500 og 900 volt DC. For eksempel er B58035U9255M001 klassificeret for 2,5 µF og 900 volt (figur 4). De forskellige enheder i CeraLink-familien er optimeret til brug som DC-linkkondensatorerer med funktioner, der inkluderer:

  • Kapacitansdensiteter på 2 til 5 µF pr. kvadratcentimeter (cm³)
  • Lav selvinduktans på 2,5 til 4 nanohenry (nH)
  • Muligheden for at kunne placeres meget tæt på halvlederstrømsenheden med drift op til 150 °C tilladt (i en begrænset periode)
  • Ingen begrænsning på spændingsændringshastighed (dV/dt)

Figur 4: B58035U9255M001 er en del af TDK Corporations CeraLink FA-familien, en 2,5 µF, 900 volt MLCC-stack. (Billedkilde: TDK Corporation)

FA-familiens kondensatorer er 9,1 millimeter (mm) brede gange 7,4 mm høje og fås i længder på 6,3 mm, 9,3 mm og 30,3 mm. De har en rippelstrømskapacitet på op til 47 ampere (A) rms.

Konklusion

Angivelse af en DC-linkkondensatorer er en vigtig del af design af strømomformere. Som vist er der en lang række mulige muligheder, som kan ændres. Et dårligt valg kan resultere i en strømkonverter, der ikke lever op til forventningerne, eller en, der er for dyr. For at undgå at træffe et dårligt valg skal du holde dig ajour med den seneste udvikling inden for DC-linkkondensatorerteknologier og -produkter.

Om denne forfatter

Image of Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

More posts by Jeff Shepard