Unngå at DC Link-kondensatoren blir det svake leddet i strømomformerkonstruksjonen

DC Link-kondensatorer (DC Link – likestrøm-lenke) er en avgjørende komponent i mange konstruksjoner, deriblant trefasede invertere for elektriske kjøretøy, solcelle- og vindkraftinvertere, industrielle motordrivere, innebygde billadere og strømforsyninger for medisinsk eller industrielt utstyr. Det er viktig å følge med på den nyeste utviklingen. Hvis DC Link-kondensatorer ikke implementeres riktig, kan de bli et «svakt ledd» som reduserer energitetthet og pålitelighet.

Dessverre for konstruktører, er fremskrittene innen kondensatorteknologi langsomme og kan lett overses, i motsetning til halvlederteknologien som utvikler seg i et raskt tempo. Noe som gjør dette enda mer utfordrende, er at forskjellige kondensatorteknologier utvikler seg i ulikt tempo: Aluminium-elektrolyttkondensatorer er en mer moden teknologi som utvikler seg saktere, mens filmkondensatorer og flerlags keramiske kondensatorer (MLCC – multilayer ceramic capacitors) utvikler seg raskere. Aluminium-elektrolyttkondensatorer tilbyr vanligvis større kapasitans per volumenhet og høyere energitetthet sammenlignet med filmkondensatorer og MLCC-er, men avveiningene er ikke faste.

For eksempel kan tidspunktet for oppgradering/utskifting av strømbrytere med mer høyfrekvente enheter – for eksempel erstatte IGBT-er med MOSFET-er eller erstatte silisiumenheter med WBG-enheter med bred båndavstand (WBG – wide bandgap) – være et godt tidspunkt å revurdere tidligere valg med DC Link-kondensatorer. Hver enkelt DC Link-kondensatorteknologi tilbyr et unikt sett med funksjoner (figur 1).

Figur 1: Sammenligning av DC Link-kondensatorer som viser spenning som funksjon av kapasitans for de viktigste teknologiene. CeraLink-kondensatorer fra TDK er MLCC-er som er optimalisert for DC Link-konstruksjoner. (Bildekilde: TDK Corporation)

Aluminium-elektrolyttkondensatorer er de vanligste DC Link-kondensatorene. De tilbyr en kombinasjon av høy energitetthet og lav pris. De brukes ofte til industrielle motordrivverk, avbruddsfrie strømforsyninger (UPS) og en rekke forbrukerrelaterte, kommersielle og industrielle bruksområder. Den relativt korte levetiden og lavfrekvente driften til aluminium-elektrolyttkondensatorer kan utelukke dem fra overveielser i mer krevende konstruksjoner.

Filmkondensatorer blir ofte brukt som DC Link-elementet i mer krevende konstruksjoner, for eksempel drivverket i elektriske kjøretøy (EV). Filmkondensatorer har høyere pålitelighet, høy strømledningsevne, lavere ekvivalent seriemotstand (ESR – equivalent series resistance) og kan brukes med høyere frekvenser sammenlignet med aluminium-elektrolyttkondensatorer. Men, i likhet med aluminium-elektrolyttkondensatorer, har filmkondensatorer relativt lave driftstemperaturer, omtrent 105 grader Celsius (°C).

MLCC-er presenterer en tredje mulighet. Disse kondensatorene har en høyere RMS (root mean square) og tåler høyere temperaturer enn andre kondensatorer. Ulempen er at det kan kreve et relativt stort antall MLCC-er for en gitt energitetthet, noe som gjør det utfordrende å implementere en kondensatorlayout som sikrer lik strømfordeling. I tillegg kan det være pålitelighetsproblemer forbundet med MLCC-er. Det keramiske dielektrikum-materialet er stivt og kan sprekke på grunn av mekaniske eller termiske belastninger, noe som kan føre til kortslutning mellom terminalene.

Det er tydelig at den «perfekte» kondensatorteknologien, som er egnet for alle DC Link-bruksområder, ikke finnes. For å komme frem til den beste konstruksjonsløsningen for et gitt prosjekt, må du gjennomgå det siste innen teknologiske fremskritt og produktutvikling. Så la oss ta noen av avveiningene og mulighetene for representative enhetstyper i betraktning, deriblant aluminium-elektrolyttkondensatorer fra Cornell Dubilier Electronics, film fra KEMET og MLCC-er fra TDK Corporation.

Elektrolyttkondensatorer for konstruksjoner med høy rippel

For konstruksjoner med høy rippelstrøm, kan du bruke 381LR-serien fra Cornell Dubilier Electronics, som er klassifisert for 200 til 450 Vdc og 56 til 2200 mikrofarad (µF) og kan håndtere minst 25 % mer rippelstrøm sammenlignet med standard 105 °C aluminium-elektrolyttkondensatorer med trykklås (figur 2). Nylige fremskritt innen elektrolyttformuleringer er viktig for den lave ESR-en som gir disse kondensatorene sin kapasitet for rippelstrøm. Dette betyr at det er behov for færre kondensatorer i motordrivverk, avbruddsfrie strømforsyninger (UPS) og andre konstruksjoner med høy rippelstrøm.

Figur 2: Aluminium-elektrolyttkondensatorene 381LR er klassifisert for 200 til 450 volt likestrøm og 56 til 2200 µF. (Bildekilde: Jeff Shepard, basert på kildemateriale fra Cornell Dubilier Electronics)

Filmkondensatorer for drivverk i biler

Hvis du konstruerer systemer for røffe miljøer, for eksempel drivverk til biler, er KEMET DC Link C4AK-filmkondensatorer, som har en levetid på 4000 timer ved 125 °C og 1000 timer ved 135 °C, et godt alternativ (figur 3). Disse enhetene er konstruert for kompakte systemkonstruksjoner. De har et radial-kasse-format for kretskortmontering og lav profil, og de muliggjør bruk av færre kondensatorer i parallell for å håndtere spenningstopper og rippelstrøm.

Figur 3: KEMET DC Link-filmkondensatorer i C4AK-serien har en levetid på 4000 timer ved 125 °C og 1000 timer ved 135 °C. (Bildekilde: KEMET)

C4AK DC Link-kondensatorene er konstruert for bruk i høyfrekvente strømomformere for EV-systemer med stor strøm, solcelle- og brenselcelleomformere, energilagringssystemer, trådløs effektoverføring og andre industrielle bruksområder.

MLCC-er for raske WBG-halvledere

Når du bruker WBG-er kan CeraLink FA (flex assembly)-familien fra TDK Corporation tilby en egnet løsning. Familien inkluderer kapasitansverdier som spenner fra 0,25 µF opp til 10 µF og nominelle spenninger mellom 500 og 900 volt likestrøm. For eksempel er B58035U9255M001 klassifisert til 2,5 µF og 900 volt (figur 4). De forskjellige enhetene i CeraLink-familien er optimalisert for bruk som DC Link-kondensatorer, med funksjoner som omfatter:

• Kapasitansdensiteter på 2 til 5 µF per kubikkcentimeter (cm³)
• Lav selvinduktans på 2,5 til 4 nanohenry (nH)
• De kan plasseres svært nær halvleder-strømapparatet, og en driftstemperatur på opptil 150 °C er mulig (i en begrenset periode)
• Ingen begrensning på spenningens stigehastighet (dV/dt)

Figur 4: B58035U9255M001 er en del av TDK Corporation sin CeraLink FA-familie, en 2,5 µF, 900 volt MLCC-stakk. (Bildekilde: TDK Corporation)

Kondensatorer i FA-familien er 9,1 millimeter (mm) brede og 7,4 mm høye, og de er tilgjengelige i lengder på 6,3 mm, 9,3 mm og 30,3 mm. De har en rippelstrøm-kapasitet på opptil 47 ampere (A) rms.

Konklusjon

Spesifisering av en DC Link-kondensator er en viktig del under prosjekteringen av strømomformere. Som vi har vist, er det et bredt spekter av tilgjengelige alternativer, som er gjenstand for endringer. Et dårlig valg her kan resultere i en strømomformer som ikke oppfyller forventningene eller som er for dyr. For å unngå å gjøre et dårlig valg, må du holde deg oppdatert om den nyeste utviklingen innen DC Link-kondensatorteknologier og -produkter.