Ako vybrať správne kondenzátory pre použitie v elektrických vozidlách?
Kemet DC-Link
- Prečo je DC-Link kondenzátor taký dôležitý
- Projektové hľadiská pri výbere DC-Link kondenzátora pre menič
- Kondenzátory pre náročné konštrukcie striedačov
Kondenzátory DC-Link predstavujú základnú fázu konverzie výkonu v mnohých oblastiach použitia, vrátane trojfázových PWM striedačov (pre ovládanie metódou pulznej šírkovej modulácie), vo fotovoltických a veterných invertoroch, priemyselných pohonoch, automobilových nabíjačkách a v striedačoch namontovaných vo vozidlách (obr. 1), v napájacích zdrojoch pre zdravotnícke prístroje a pod. Náročné oblasti použitia sa vyznačujú vysokými nákladmi, ťažkými podmienkami daného prostredia, a prísnymi požiadavkami kladenými na spoľahlivosť. Aj keď je možné v konštrukciách obvodov používať rôzne technológie, riešením, ktoré sa používa už dlhodobo, sú kondenzátory DC-Link. DC-Link kondenzátory môžu zlepšiť výkon v systéme a vyriešiť konkrétne problémy spojené s pulzovaním generovaným rýchlym prepínaním, ktoré je neoddeliteľnou súčasťou konverzie výkonu. Aký typ kondenzátorov je najvhodnejší ako kondenzátory DC-Link a prečo?
Obrázok 1: Kondenzátory DC-Link predstavujú základ pre navrhovanie systémov konverzie výkonu pre mnoho spôsobov použitia striedačov, vrátane ich použitia v hybridných a elektrických automobiloch. Podľa JP Morgan Chase and Company, bude do roku 2025 celkový podiel hybridných a elektrických vozidiel tvoriť približne 30% z celkového predaja áut. (Zdroj grafiky: afdc.energy.gov)
Automobilový priemysel predstavuje dokonalý príklad využívania konverzie výkonu v hybridnom a elektrickom pohonnom ústrojenstve. Elektromobily vybavené akumulátormi majú sadu článkov na uskladnenie energie pre pohon, elektromotor a ovládač výkonu vybavený striedačom. Všetky tieto zariadenia pracujú pri vysokom napätí, od 48 VDC do dokonca 800 VDC. Vzhľadom na fyzické limity, ktoré sa spájajú s obmedzením prúdu, vysoké napätie koreluje s vysokou kapacitou. Čím vyššie je pracovné napätie jednosmerného prúdu, tým je menší vyžadovaný prietok prúdu pre rovnaký výstupný výkon (P=VI). Automobilový priemysel je známy tým, že vyžaduje komponenty, ktoré môžu spoľahlivo pracovať v extrémne vysokých teplotách, v podmienkach sústavných vibrácií a tam, kde sú tieto komponenty vystavené náročným podmienkam vonkajšieho prostredia. Trojfázový trakčný striedač spracúva energiu z článku do pohonu motora a pre túto konštrukciu je kľúčový kondenzátor DC-Link.
Na rozdiel od hračkárskych autíčok elektromobily nepracujú tak, že priamo využívajú energiu zhromaždenú v akumulátore, potrebná je konverzia. 3-fázový striedač pre hybridné/elektrické vozidlo (HEV/EV) sa skladá z nasledujúcich fáz:
- fáza, vstupná, ktorá odvádza jednosmerné napätie z akumulátora.
- fáza, ktorá začína konverziu pomocou kondenzátora DC-Link, ktorý filtruje a vyhladzuje jednosmerné napätie na DC zberniciach
- fáza III, ktorá iniciuje konverziu prostredníctvom vysokej frekvencie prepínania (s výstupom podobným ako z usmerňovača na zbernice) a dodáva zmenený výkon záťaži, pretože záťaž vytvára okamžitú spotrebu
Prečo je kondenzátor DC-Link taký dôležitý
Kondenzátor jednosmerného prúdu musí vyvažovať kolísanie okamžitého výkonu na prúdových zberniciach, pochádzajúceho z aktivity v prvej a tretej fáze.Kondenzátor DC-Link stabilizuje „pulzovanie” generované obvodmi vysokofrekvenčného prepínania prítomné v 3. fáze. Tepavý prúd/napätie (definované pri danej frekvencii a teplote) je celková hodnota kvadratického priemeru (RMS) striedavého a jednosmerného prúdu, ktorú kondenzátor dokáže zvládnuť bez poruchy.
Ako vypočítať kapacitu potrebnú na vyhladzovanie skokov napätia?
Kondenzátor DC-Link (lokalizovaný v 2. fáze) musí stabilizovať a vyhladzovať napätie a prúd na zberniciach (t. j. rozpájať skoky spôsobené prepínaním). Pomocou tejto rovnice môžemevypočítať minimálnu elektrickú kapacitu a napätie tepavého prúdu:
kde Cmin = požadovaná minimálna kapacita, Iout = výstupný prúd, dc = strieda signálu, fSW = frekvencia prepínania, VP(max) = špičkové napätie zvlnenia.
Projektové hľadiská pri výbere DC-Link pre menič
Kondenzátor DC-Link má za úlohu stabilizovať napätie jednosmerného prúdu obmedzovaním jeho kolísania, keďže striedač sporadicky potrebuje veľký prúd. Konštrukcia DC-Link kondenzátora môže využívať rozličné technológie. Na trhu sú dostupné hliníkové elektrolytické, fóliové a keramické kondenzátory. Výber nie je jednoduchý a vo veľkej miere závisí od oblasti použitia.
Výber správneho DC-Link kondenzátora začína porovnaním menovitých hodnôt kapacity a napätia, ktoré sa odzrkadľujú v známej hodnote spotreby energie pri súčasnej snahe o získanie vysokých menovitých hodnôt napätia tepavého prúdu. Pulzovanie v DC-Link uzloch generované najmä neobyčajne rýchlym prepínaním IGBT alebo MOSFET v 3. fáze ovplyvňuje kapacitu, pretože každý kondenzátor má určitú impedanciu (a vlastnú indukčnosť). Kondenzátor DC-Link musí regulovať napätie a vstrebávať zvlnenie prúdu.
Pulzovanie/zvlnenie mení úroveň napätia, ktoré sa vyskytuje v kondenzátore DC-Link, pričom pulzovanie prepínacieho prúdu prechádza kondenzátorom (V=IR). Zohľadniť treba aj frekvencie prepínania striedača, musí kondenzátor DC-Link tolerovať. Napríklad, fóliové kondenzátory nebudú fungovať správne, ak je frekvencia prepínania väčšia ako 1MHz. Iným hľadiskom pri výbere kondenzátora DC-Link je poznanie vyžadovaného napätia jednosmerného prúdu na zberniciach, predpokladaný čas prevádzky zariadenia, maximálny možný prúd a frekvencia pulzovania, ktoré bude prítomné v systéme ako aj to, či generovaný tepavý prúd má konštantnú alebo prerušovanú charakteristiku.
Technické špecifikácie lepších kondenzátorov DC-Link by mali uvádzať nízku samoindukčnosť, veľmi nízky ekvivalentný sériový odpor (ESR) a vysokú toleranciu zvlnenia prúdu, všetky pri porovnateľných pracovných teplotách a frekvenciách (ESR kondenzátora je celkový vnútorný odpor definovaný pri danej frekvencii a teplote). Najnižšia možná úroveň ESR minimalizuje vytváranie tepla v podobe rozptýleného výkonu (Prozptyl =I2 x ESR). Zhrnuté a podčiarknuté to znamená, že pre fóliové kondenzátory typu DC-Link, je ESR oveľa nižší a zároveň zabezpečuje dobré kapacitné napätie (CV), čo sa prejaví v lepšej reakcii na tepavý/zvlnený prúd.
Fóliové kondenzátory typu DC-Link ponúkajú vysoké napätie tepavého prúdu adlhšiu životnosť ako elektrolytické kondenzátory, zároveň poskytujú vyššiu kapacitu ako keramické kondenzátory. Avšak skutočne vyžadovaná charakteristika spojená s napätím pulzov sa predpokladá len ťažko a líši sa v závislosti od frekvencie prepínania a harmonických charakteristík prúdu generovaných vstupnými a výstupnými fázami (1. a 3. fáza). Kondenzátor DC-Link je prvok znižujúci alebo vytvárajúci vhodné prúdy. Iné riešenia môžu mať za následok viac trojuholníkový priebeh prúdovej vlny.
Vo všeobecnosti sa môžu hodnoty kapacity meniť z hľadiska zmeny pracovnej teploty okolia alebo zmeny dodávaného napätia a frekvencie. Iné premenné, ktoré treba zvážiť, to je napr. samoindukčnosť, ktorá môže výrazne zmenšiť efektívnu impedanciu kondenzátora pri vysokých frekvenciách, čím sa zmení aj očakávané správanie kondenzátora. Bez ohľadu na zvolený typ kondenzátora, tlmenie šumov ako KEMET Flex Suppressors® [1] môže pomôcť redukovať šum s vysokou frekvenciou generovaný okolitým prostredím.
Okrem toho ESR kondenzátora je často faktorom limitujúcim nominálnu hodnotu zvlneného napätia (t.j. napätia tepavého prúdu, ktoré môže kondenzátor obslúžiť bez toho, aby došlo k jeho prehriatiu). Pre dosiahnutie požadovanej nízkej úrovne ESR a dlhej životnosti pri vysokom rozptyle, majú fóliové kondenzátory rozmery, ktoré často spôsobujú, že taký kondenzátor spĺňa alebo prevyšuje charakteristiku v oblasti napätia tepavého prúdu alebo záložnej doby.
A ešte posledná otázka – v každom zariadení s veľkým výkonom treba zvážiť, či je potrebné zabezpečiť chladenie a ak áno, aký typ chladenia. Pri výbere vhodného kondenzátora DC-Link treba venovať osobitnú pozornosť teplotnému profilu okolia.
Kondenzátory pre náročné konštrukcie striedačov
Na trhu je dostupných niekoľko druhov kondenzátorov. Nie všetky z nich sú však vhodné pre vysokonapäťové striedače. Výber vhodných viacvrstvových keramických kondenzátorov s požadovanou charakteristikou napätia, teploty a spoľahlivosťou je pomerne obmedzený. Pre aplikácie typu DC-Link sú vhodné elektrolytické kondenzátory. Bohužiaľ nie všetky elektrolytické kondenzátory sú pre tento typ použitia vhodné. Tradičné fóliové kondenzátory boli v minulosti limitované nízkymi pracovnými teplotami, ale táto technológia sa rozvíja rýchlejšie ako elektrolytické kondenzátory. Najnovšie fóliové kondenzátory, také ako C4AE od spoločnosti KEMET [2], môžu konštrukcii poskytnúť lepšiu účinnosť. Kondenzátory s metalizovanou fóliou sú menšie ako elektrolytické kondenzátory, pričom ponúkajú podobnú funkčnosť. Aj keď možno stabilitu napätia dosiahnuť použitím veľkého elektrolytického kondenzátora, komponenty veľkých rozmerov by zmenšili napríklad výkon automobilového striedača. Rozmer a hmotnosť komponentov má vplyv na celkové možnosti a hodnotu vozidla.
Fóliové kondenzátory majú aj dlhšiu životnosť ako elektrolytické kondenzátory, a to najmä preto, že sú skonštruované z kovových vrstiev nanášaných odparovaním na podkladový materiál. Vzhľadom na vysokú úroveň energie uskladnenej medzi ultraľahkými vrstvami kovu môže byť vnútorný skrat skorigovaný prirodzeným spôsobom, pretože malé chyby sa korigujú v priebehu mikrosekúnd bez postrehnuteľnej zmeny výkonu. Fóliové kondenzátory sú vhodné aj pre vysokonapäťové pulzné aplikácie a s nimi spojené bezpečnostné problémy, pretože sú schopné vydržať náhle prepätia a prechodné stavy. Fóliové kondenzátory nie sú polarizované, môžu mať veľmi dlhú prevádzkovú životnosť (navyše predĺženú vďaka zníženiu nominálnych hodnôt), zvýšenú zaťažiteľnosť prúdom, zabezpečujú stabilnú prácu v širšom teplotnom rozsahu a ponúkajú lepšiu mechanickú stabilitu ako elektrolytické kondenzátory**. Ďalšími výhodami sú široké možnosti montáže fóliových kondenzátorov. A čo je mimoriadne dôležité napríklad pre použitie v hybridných a elektrických autách, solídne fóliové kondenzátory spolupracujú s prúdovými zbernicami s napätím väčším ako 500VDC.
Dobrým príkladom fóliových kondenzátorov vhodných pre hybridy a elektromobily sú fóliové kondenzátory KEMET C4AQ [3], ktoré spĺňajú požiadavky smernice AEC-Q200 pre použitie v automobilových aplikáciách a majú niekoľko výrazných výhod v otázke architektúry DC-Link. Ako sme už skôr uviedli, kondenzátory C4AQ spoločnosti KEMET majú všetky výhody, ktoré sa pripisujú fóliovým kondenzátorom. Alternatívou pre toto riešenie sú napájacie fóliové kondenzátory KEMET C4AE [2], podobné ako kondenzátory série C4AQ, nie sú však určené pre automobilový priemysel. Iné kondenzátory vhodné pre aplikácie DC-Link nesúvisiace s motorizáciou zahŕňajú model CKC Ceramic KC-LINK [4] a skrutkové fóliové kondenzátory C44U a C4DE [5].
Kontrola fungovania môže mať rozhodujúci význam pre správny chod meničov s vysokým výkonom. Senzory s vysokým napätím série CT od spoločnosti KEMET [6] umožňujú meranie prúdu v reálnom čase v kábli pod napätím.
Ako sme ukázali, výber správneho kondenzátora DC-Link môže byť náročný, ale mimoriadne dôležitý proces. KEMET [7]spolu s TME, ponúka produkty a pomoc potrebné pre vyladenie tohto procesu.
tme.eu [8]