Låt inte DC-länkkondensatorn bli den svaga länken när du konstruera en kraftomvandlare

Kondensatorer för likströmslänkar (DC-länk) är en viktig komponent i många tillämpningar, inklusive växelriktare för trefas i motordrivningar för elektriska fordon, växelriktare till solceller och vindkraft, industriella motordrivningar, laddare i bilar, och strömförsörjningar för medicinsk och industriell utrustning. Det är viktigt att hålla sig uppdaterad kring den senaste utvecklingen. Om de inte implementeras korrekt, kan DC-länkkondensatorer bli en "svag länk" som minskar energitätheten och tillförlitligheten.

Olyckligtvis för konstruktörer, sker framsteg inom kondensatorteknik långsamt och de är lätta att missa, till skillnad från framstegen inom halvledarteknik som går i en rasande takt. För att göra utmaningen ännu större, sker framstegen i olika takt för olika kondensatortekniker: aluminiumelektrolyter är en mognare teknik som utvecklas långsammare, medan filmkondensatorer och keramiska flerlagerskondensatorer (MLCC) utvecklas snabbare. Aluminiumelektrolytkondensator har ofta en större kapacitans per volymenhet och högre energitäthet jämfört med filmkondensatorer och MLCC:er, men skillnaderna är inte fasta.

När man exempelvis uppgraderar kraftomvandlare med komponenter för högre frekvenser – såsom utbyte av IGBT:er mot MOSFET:ar eller utbyte av kiselenheter mot bredbandiga (WBG) effektswitchar – kan det vara ett bra tillfälle att se över gamla val av DC-länkkondensatorer. Respektive teknik för DC-länkkondensatorer ger en unik uppsättning egenskaper (figur 1).

Figur 1: Jämförelser av DC-länkkondensatorer som visar spänning jämfört med kapacitans för de stora teknologierna. CeraLink-kondensatorer från TDK är MLCC:er som är optimerade för tillämpningar i DC-länkar. (Bildkälla: TDK Corporation)

Aluminiumelektrolyter (elektrolytkondensatorer) är de vanligaste DC-länkkondensatorerna. De har en kombination av hög energitäthet och låg kostnad. De används ofta för industriell motordrivning, avbrottsfri kraftförsörjning (UPS:er) och en mängd kundtillämpningar, kommersiella tillämpningar och industriella tillämpningar. Men, den relativt korta livslängden och lågfrekvensdriften kan göra att elektrolytkondensatorerna exkluderas i mer krävande tillämpningar.

Filmkondensatorer finns ofta som en del i DC-länken i mer krävande tillämpningar såsom drivmotorer för elfordon. Filmkondensatorer har en högre tillförlitlighet, högre strömledningsförmåga, lägre ekvivalent serieresistans (ESR), och kan användas vid högre frekvenser jämfört med elektrolytkondensatorer. Men, på samma sätt som elektrolytkondensatorer, har filmkondensatorer en relativt låg drifttemperatur på endast 105 grader Celsius (°C).

MLCC:er utgör en tredje möjlighet. Dessa kondensatorer har ett högre effektivvärde (rms) för ström och tål högre temperaturer än andra kondensatorer. Nackdelen är att det kan krävas ett relativt stort antal MLCC:er för en given energitäthet, vilket gör det till en utmaning att implementera en kondensatorlayout som garanterar en likvärdig strömfördelning. Det kan dessutom finnas tillförlitlighetsproblem kopplade till MLCC:er. Det keramiska dielektriska materialet är stelt och kan spricka på grund av mekaniska eller termiska påfrestningar, vilket skapar en kortslutning mellan anslutningarna.

Det är tydligt att den "perfekta" kondensatortekniken för alla tillämpningar av DC-länkar inte finns. För att komma fram till den bästa konstruktionslösningen för ett givet projekt, måste du granska de senaste tekniska framstegen och produktutvecklingen. Så, låt oss överväga några av nackdelarna och egenskaperna hos representativa enhetstyper, inklusive aluminiumelektrolyter från Cornell Dubilier Electronics, film från KEMET, och MLCC:er från TDK Corporation.

Elektrolytkondensatorer för konstruktioner med hög rippel

För tillämpningar med höga rippelströmmar, kan du använda serien 381LR från Cornell Dubilier Electronics som har en märkspänning på 200 till 450 V DC och 56 till 2 200 µF och hanterar åtminstone 25 % mer rippelström jämfört med en vanlig 105 °C elektrolytkondensator (figur 2). De senaste framstegen inom elektrolytkondensatorernas värld är nyckeln till det låga effektvärde som ger dessa kondensatorer deras kapacitet för rippelström. Det innebär att färre kondensatorer krävs i motordrivningar, avbrottsfri kraftförsörjning (UPS) och andra tillämpningar med hög rippelström.

Figur 2: Aluminiumelektrolytkondensatorn 381LR har en märkspänning på 200 till 450 V DC och 56 till 2 200 µF. (Bildkälla: Jeff Shepard, baserat på källmaterial från Cornell Dubilier Electronics)

Filmkondensatorer för drivmotorer i fordon

Om du konstruerar system för hårda miljöer såsom drivmotorer för fordon, är filmkondensatorerna C4AK för DC-länken från KEMET, en livslängd på 4 000 timmar vid 125 °C och 1 000 timmar vid 135 °C ett bra alternativ (figur 3). Enheterna, som har konstruerats för kompakt systemdesign, har ett radiellt lådformat med låg profil för montering på kretskort vilket gör det möjligt att använda färre kondensatorer parallellt för att hantera topp- och rippelströmmar.

Figur 3: Filmkondensatorserien C4AK för DC-länkar från KEMET har en livslängd på 4 000 timmar vid 125 °C och 1 000 timmar vid 135°C. (Bildkälla: KEMET)

DC-länkkondensatorerna C4AK är konstruerade för användning i kraftomvandlare med hög frekvens för höga strömmar i elfordonssystem, fotovoltaiska växelriktare och växelriktare för bränsleceller, energilagringssystem, trådlös kraftöverföring och andra industriella tillämpningar.

MLCC:er för snabba WBG-halvledare

Vid användning av WBG:er, kan familjen CeraLink FA (flexibel montering) från TDK Corporation vara en lämplig lösning. Familjen inkluderar kapacitansvärden från 0,25 µF upp till 10 µF och märkspänningar mellan 500 och 900 V DC. B58035U9255M001 är exempelvis märkt med 2,5 µF och 900 V (figur 4). De olika enheterna i familjen CeraLink är optimerade för användning som DC-länkkondensatorer, med egenskaper som inkluderar:

• Kapacitanstätheter på 2 till 5 µF per kubikcentimeter (cm³)
• Låg självinduktans på 2,5 till 4 nanohenry (nH)
• Förmågan att kunna placeras väldigt nära halvledareffektenheten med möjlig drift upp till 150 °C (under en begränsad tid)
• Ingen begränsning av spänningens ändringshastighet (dV/dt)

Figur 4: B58035U9255M001 är en del av familjen CeraLink FA från TDK Corporation, en MLCC-stack på 2,5 µF, 900 V. (Bildkälla: TDK Corporation)

Kondensatorer i familjen FA är 9.1 mm breda och 7,4 mm höga och finns i längder om 6,3, 9,3, och 30,3 mm. De har en kapacitet för rippelström på upp till 47 A rms.

Sammanfattning

Att specificera en DC-länkkondensator är en viktig del vid konstruktionen av kraftomvandlare. Som visat, finns det en stor mängd möjliga alternativ, vilka är föremål för förändring. Att göra ett dåligt val kan resultera i en kraftomvandlare som inte uppfyller förväntningarna eller en som är för dyr. Du måste hålla dig uppdaterad om den senaste utvecklingen inom kondensatorteknik och DC-länkprodukter för, för att undvika att göra dåliga val.