In einer Vielzahl von Anwendungen, von den einfachsten Ladegeräten für Mobiltelefone bis hin zu Stromnetz-Wechselrichtern, die mit Hunderten von kW arbeiten, werden Stromumwandlungsschemata verwendet, die eine Zwischenstufe beinhalten, in der Strom in Gleichstrom umgewandelt wird. Ein „DC-Link“-Kondensator ist an dieser Stelle geeignet, um einen Pfad mit niedriger Impedanz für hochfrequente Schaltströme bereitzustellen und Energie zu speichern. Die Eingangsphase kann so einfach sein wie ein Gleichrichter aus einer AC-Netzeingangsspannung oder eine Power Factor Correction (PFC)-Schaltung, die einen konstanten Hochspannungsstrom erzeugt. Der DC-Link-Kondensator fungiert als Ausgangsphasenfilter in der PFC-Stufe und absorbiert Schaltströme, um den Brummstrom zu minimieren.
Die Ausgangsstufe sollte ein Umrichter oder ein Schaltwechselrichter sein, der den Überfrequenzstrom vom DC-Link-Kondensator „abschneidet“. Der Kondensator muss auch so dimensioniert sein, dass er die DC-Link-Welligkeitsspannungsspezifikationen und die Energiespeicherung zwischen Betriebszyklen oder bei Verlust der Eingangsleistung erfüllt. Daher sollte es einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und ein minimales Verhältnis von Kapazität und Welligkeitsstrom haben.
Diese Spezifikationen müssen mit bestimmten Parametern Spannung, Temperatur, Leistung und Schaltfrequenzen eingehalten werden, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Bei AC/DC-Wandlern mit geringer Leistung ohne PFC-Phase wird die Mindestkapazität durch die im DC-Zwischenkreis zulässige Restwelligkeitsspannung des elektrischen Netzwerks festgelegt. Dies liefert einen Kapazitätswert von etwa 2 μF/W für universelle Eingangsleistung. Und für AD/DC-Wandler höherer Leistung mit PFC wird der Wert durch eine „Hold-up“- oder „Ride-Through“-Zeit des Eingangsleistungsverlusts bestimmt, und bei hoher Spannung ist ein viel niedrigerer Kapazitätswert mit gespeicherter Energie möglich. Werte von weniger als 1 μF/W sind normal. Die für die Überbrückung erforderliche Kapazität lässt sich leicht berechnen, indem die von der Last während dieser Überbrückungszeit benötigte Leistung gleichgesetzt wird; th x Po/η (Haltezeit pro Ausgangsleistung dividiert durch Wirkungsgrad) mit der Energiedifferenz im Kondensator zwischen seiner Anfangs- und Endspannung, bei der der Wandler je nach Vorgabe stoppt (0.5 CV2start – 0.5 CV2finish) Diese wird umgeordnet um C = 2 Po th/ η (Vstart2 – Vfinish2) zu ergeben. Bei Wechselrichtern mit AC-Ausgang ist Hold-up möglicherweise kein Problem, da nur eine minimale Kapazität erforderlich ist, um eine ausreichend niedrige Impedanz bei der Schaltfrequenz des Wechselrichters zu erreichen und somit die Brummspannung zu verringern .
In praktischen Schaltungen wird der Welligkeitsstrom, den der Kondensator ohne Verlustüberhitzung im ESR bewältigen muss, oft zu einem bestimmenden Faktor. Der Strom kann so hoch sein, dass für eine gegebene Spannung eine minimale Kondensatorgröße erforderlich ist, um einen niedrigen ESR, eine hohe Verlustleistung und eine lange Lebensdauer zu erreichen. Dies führt zu einer Kapazität, die das Minimum der Ripple-Line- oder Hold-up-Berechnungen übersteigt. Die Welligkeitsstromwellenform ist sehr schwer vorherzusagen, da sie eine Kombination aus Netzfrequenz und Eingangs- und Ausgangsphasenfrequenzen und ihren entsprechenden Harmonischen ist. Die Wellenformen hängen von Phasentopologien ab und können von dreieckigen Hocheffektivströmen in PFC-Phasen im diskontinuierlichen Modus bis hin zu quadratischeren Strömen in Brückenwechselrichter- und Wandlerphasen reichen.
Die Eingangs- und Ausgangsphasenströme „ein und aus“ des Kondensators und nicht unbedingt in Phase oder mit einer festen Frequenz, was die Sache kompliziert. Es gibt Schemata, bei denen die Eingangs- und Ausgangsphasen synchronisiert werden können, um eine gewisse Welligkeitsstromunterdrückung im Kondensator zu erreichen. Durch Berechnung, Experiment oder Simulation können die Spezifikationen des Hauptkondensators gefunden werden, aber dann müssen andere Überlegungen berücksichtigt werden, wie z. B. Größe, Kosten, Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Ein Designer wird feststellen, dass für seine Anwendung mehrere Arten von Kondensatoren zur Verfügung stehen, wobei er zwischen Aluminium-, Film- und Keramikelektrolyten wählen kann. Die Auswahl ist nicht einfach und hängt maßgeblich von den Anforderungen des Projekts ab. Im Allgemeinen sind elektrolytische Modelle jedoch für eine bestimmte Kombination aus Spannungs- und Kapazitätsverhältnis (CV-Verhältnis) tendenziell billiger und kompakter als Folien- und Keramikmodelle, bieten jedoch einen geringeren Ripple-Strom. Sie haben auch eine größere Variation in Kapazität, ESR und Welligkeitsstrom in Bezug auf Zeit und Temperatur sowie eine kürzere Dauer (abhängig von der angelegten Spannung und Temperatur). Elektrolytkondensatoren sind im Vergleich zu den mehreren kV Folienvarianten nur bis zu einer Belastbarkeit von 600 VDC verfügbar, was in Hochspannungsanwendungen eine Reihenschaltung verschiedener Elektrolyte mit symmetrischen Netzwerken erfordert. Die Anschaffungskosten eines Elektrolyts können viel niedriger sein als die einer Folie mit einem äquivalenten CV-Verhältnis.
Ein Beispiel könnte in der elektrolytischen Reihe B43544 und der Folienreihe BMKP 3277 von TDK EPCOS gefunden werden. Bei 470 / 480 µF und 450 V ist der ESR des Folientyps etwa sechzigmal niedriger, die Stromwelligkeit etwa neunmal größer und die Nennlebensdauer bei ähnlichen Temperaturen und Frequenzen etwa viermal größer. Elektrolytisch ist jedoch zehnmal kompakter und kostet nur ein Zehntel der Folie. Tabelle 1 enthält eine Zusammenfassung der wichtigsten Spezifikationen der beiden Beispielkondensatoren. Am wichtigsten ist vielleicht die Art und Weise, in der diese Spezifikationen je nach Umgebung und Anwendungsbedingungen variieren. Abbildung 2 zeigt, wie sich Kapazität, Verlustfaktor und Lebensdauer von Elektrolyt- und Folienkondensatoren in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Das Ende der Lebensdauer ist definiert als Leistungsabfall ab einem bestimmten Niveau, typischerweise eine Abweichung von mehr als 20 Prozent vom Anfangswert, eine Änderung des Verlustfaktors um mehr als das 1.3-fache des Anfangswerts oder ein Leckstrom über dem angegebenen Grenzwert.
Wenn dies nicht toleriert werden kann und die Komponente bei hohen Temperaturen verwendet wird, muss sie möglicherweise viele Male während der Lebensdauer der endgültigen Ausrüstung mit den damit verbundenen Kosten für Anschaffung, Überholung und Ausfallzeiten ersetzt werden. Es gibt einen großen Unterschied in der Lebensdauer zwischen den beiden Typen, aber über die erwartete Lebensdauer eines Elektrolytkondensators unterscheidet sich seine inhärente Zuverlässigkeit immer noch nicht so sehr von Keramik- oder Filmversionen. TDK EPCOS erreicht 10 FITS (Ausfälle in 109 Betriebsstunden) bei 0.5 V und +40 °C für das Beispiel mit einem Folienkondensator und obwohl das Unternehmen in seinem Datenblatt keine Zahl für den Elko angibt, geben diese Modelle normalerweise Verhältnisse an von 0.5 bis 20 FITS. Unter Spannungsstressbedingungen haben Folienkondensatoren den Vorteil, dass sie selbstheilend (selbstreparierend) sind und höheren Überspannungen standhalten als elektrolytische Kondensatoren.
Keramische DC-Link-Kondensatoren wie die der CeraLinkTM-Reihe von TDK EPCOS sind nur mit Kapazitäten von etwa 20 μF bei 500 V erhältlich (B58033I5206M001), aber durch Parallelschaltung von 460 Einheiten sind Werte von 192 μF möglich . in 31.5 cm³ und schaffen damit einen hohen Rippelstrom. Jede Einheit ist für den Betrieb mit 100 A bei 85 kHz und +724 °C ausgelegt, sodass XNUMX Elemente theoretisch bis zu XNUMX A verarbeiten könnten. Wie bei anderen Keramikkondensatoren variieren jedoch die Kapazitäts- und ESR-Werte. erheblich mit angelegter Spannung und Temperatur. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl des Kondensatortyps stark von der Anwendung abhängt und die elektrolytischen Modelle immer noch eine gute Option in kostensensiblen Projekten und „wenig“ widrigen Umgebungen sind.
Wenn Temperaturen und Rippelstrom steigen, kann die Wahl eines Elektrolytkondensators anstelle eines Folienkondensators „falsche Einsparungen“ bringen, wenn man die Kosten einer kurzen Lebensdauer und die daraus resultierenden Austauschkosten und Ausfallzeiten berücksichtigt . Die Marke TDK EPCOS bietet eine große Auswahl an Kondensatoren beider Typen, die den Anforderungen unterschiedlicher widriger Bedingungen und verschiedener Montageformate gerecht werden. Um das Design zu erleichtern, hat Avnet Abacus ein neues interaktives Tool entwickelt, das Ihnen helfen soll, das beste TDK-Produkt für Wechselrichter und Controller zu finden.
Mit diesem Tool können Sie auch die Phasen einer Treiberschaltung untersuchen und die am besten geeigneten Modelle für jedes Design identifizieren. Besuchen Sie http://avnet-abacus.hssites. com/inverters/input-filtering, wenn Sie direkt zum DC-Link-Bereich gehen möchten, wo Sie auf Datenblätter und technische Informationen für die in diesem Artikel erwähnten Produkte zugreifen können. Und wenn Sie an weiteren Informationen zu Eingangsfilterschaltungen interessiert sind oder Fragen zu einem bestimmten Wechselrichterdesign haben, wenden Sie sich bitte an Ihren Avnet Abacus-Spezialisten vor Ort.
