Bu hafta geçen haftaki yazımıza devam ediyoruz.

1.2 Elektrolitik kondansatörler

Elektrolitik kondansatörlerde kullanılan dielektrik malzeme, alüminyumun korozyonu sonucu oluşan alüminyum oksittir ve dielektrik sabiti 8 ila 8,5, çalışma dielektrik dayanımı ise yaklaşık 0,07 V/A'dır (1 µm = 10000 A). Ancak, bu kalınlığa ulaşmak mümkün değildir. Alüminyum tabakasının kalınlığı, elektrolitik kondansatörlerin kapasite faktörünü (özgül kapasitans) düşürür çünkü iyi enerji depolama özellikleri elde etmek için alüminyum folyonun aşındırılarak bir alüminyum oksit filmi oluşturulması gerekir ve yüzeyde birçok düzensiz yüzey oluşur. Öte yandan, elektrolitin direnci düşük voltaj için 150 Ωcm, yüksek voltaj (500 V) için ise 5 kΩcm'dir. Elektrolitin daha yüksek direnci, elektrolitik kondansatörün dayanabileceği RMS akımını sınırlar, tipik olarak 20 mA/µF ile sınırlandırır.

Bu nedenlerden dolayı elektrolitik kondansatörler tipik olarak maksimum 450V voltaj için tasarlanmıştır (bazı üreticiler 600V için de tasarlamaktadır). Bu nedenle, daha yüksek voltajlar elde etmek için kondansatörlerin seri bağlanması gerekir. Ancak, her bir elektrolitik kondansatörün izolasyon direncindeki farklılık nedeniyle, seri bağlı her bir kondansatörün voltajını dengelemek için her bir kondansatöre bir direnç bağlanmalıdır. Ayrıca, elektrolitik kondansatörler polarize cihazlardır ve uygulanan ters voltaj 1,5 kat Un'yi aştığında elektrokimyasal bir reaksiyon meydana gelir. Uygulanan ters voltaj yeterince uzun olduğunda, kondansatör aşırı yüklenecektir. Bu olayı önlemek için, kullanıldığında her bir kondansatörün yanına bir diyot bağlanmalıdır. Ayrıca, elektrolitik kondansatörlerin voltaj dalgalanma direnci genellikle 1,15 kat Un'dir ve iyi olanlar 1,2 kat Un'ye ulaşabilir. Bu nedenle tasarımcılar, bunları kullanırken sadece kararlı durum çalışma voltajını değil, aynı zamanda dalgalanma voltajını da dikkate almalıdır. Özetle, film kondansatörleri ve elektrolitik kondansatörler arasında aşağıdaki karşılaştırma tablosu çizilebilir, bkz. Şekil 1.

2. Uygulama Analizi

Filtre görevi gören DC-Link kapasitörler, yüksek akım ve yüksek kapasiteli tasarımlar gerektirir. Şekil 3'te belirtildiği gibi, yeni enerji araçlarının ana motor tahrik sistemi buna bir örnektir. Bu uygulamada kapasitör, ayırma görevi görür ve devre yüksek çalışma akımına sahiptir. Film DC-Link kapasitör, büyük çalışma akımlarına (Irms) dayanabilme avantajına sahiptir. 50~60kW'lık yeni enerji aracı parametrelerini örnek olarak alırsak, parametreler şu şekildedir: çalışma gerilimi 330 Vdc, dalgalanma gerilimi 10Vrms, dalgalanma akımı 150Arms@10KHz.

Ardından minimum elektrik kapasitesi şu şekilde hesaplanır:

Bu, film kondansatör tasarımı için uygulaması kolaydır. Elektrolitik kondansatörlerin kullanıldığı varsayılarak, 20mA/μF değeri dikkate alındığında, yukarıdaki parametreleri karşılamak için elektrolitik kondansatörlerin minimum kapasitansı aşağıdaki gibi hesaplanır:

Bu kapasitansı elde etmek için birden fazla elektrolitik kondansatörün paralel bağlanması gerekir.

Hafif raylı sistemler, elektrikli otobüsler, metrolar vb. gibi aşırı gerilim uygulamalarında, bu güçlerin pantograf aracılığıyla lokomotif pantografına bağlandığı göz önüne alındığında, taşıma sırasında pantograf ile lokomotif arasındaki temas aralıklı olur. İki parça temas halinde olmadığında, güç kaynağı DC-Link kapasitörü tarafından desteklenir ve temas yeniden sağlandığında aşırı gerilim oluşur. En kötü durum, bağlantı kesildiğinde DC-Link kapasitörünün tamamen boşalmasıdır; burada boşalma gerilimi pantograf gerilimine eşittir ve temas yeniden sağlandığında ortaya çıkan aşırı gerilim, nominal çalışma değerinin neredeyse iki katıdır. Film kapasitörler için DC-Link kapasitörü ek bir husus gerektirmeden ele alınabilir. Elektrolitik kapasitörler kullanılırsa, aşırı gerilim 1,2Un'dir. Şanghay metrosunu örnek alalım. Un=1500Vdc, elektrolitik kapasitör için dikkate alınması gereken gerilim şöyledir:

Ardından altı adet 450V kapasitör seri olarak bağlanmalıdır. Film kapasitör tasarımı kullanıldığında 600Vdc ila 2000Vdc hatta 3000Vdc'ye kadar gerilim kolayca elde edilebilir. Ek olarak, kapasitörün tamamen boşalması durumunda oluşan enerji, iki elektrot arasında kısa devre deşarjı oluşturarak DC-Link kapasitöründen büyük bir ani akım üretir; bu durum, elektrolitik kapasitörlerin gereksinimlerini karşılamak için genellikle farklıdır.

Ek olarak, elektrolitik kapasitörlere kıyasla DC-Link film kapasitörleri, çok düşük ESR (tipik olarak 10 mΩ'nin altında, hatta <1 mΩ) ve öz indüktans LS (tipik olarak 100 nH'nin altında, bazı durumlarda 10 veya 20 nH'nin altında) değerlerine ulaşacak şekilde tasarlanabilir. Bu, DC-Link film kapasitörünün uygulandığında doğrudan IGBT modülüne takılmasına olanak tanır ve bara hattının DC-Link film kapasitörüne entegre edilmesini sağlar; böylece film kapasitörleri kullanılırken özel bir IGBT emici kapasitöre olan ihtiyaç ortadan kalkar ve tasarımcıya önemli miktarda para tasarrufu sağlanır. Şekil 2 ve 3, bazı C3A ve C3B ürünlerinin teknik özelliklerini göstermektedir.

3. Sonuç

İlk zamanlarda, maliyet ve boyut kısıtlamaları nedeniyle DC-Link kapasitörlerinin çoğu elektrolitik kapasitörlerdi.

Ancak, elektrolitik kondansatörler voltaj ve akım dayanım kapasitesinden etkilenir (film kondansatörlere kıyasla çok daha yüksek ESR), bu nedenle büyük kapasite elde etmek ve yüksek voltaj kullanım gereksinimlerini karşılamak için birkaç elektrolitik kondansatörün seri ve paralel bağlanması gerekir. Ayrıca, elektrolit malzemenin buharlaşması göz önüne alındığında, düzenli olarak değiştirilmesi gerekir. Yeni enerji uygulamaları genellikle 15 yıllık bir ürün ömrü gerektirir, bu nedenle bu süre içinde 2 ila 3 kez değiştirilmesi gerekir. Bu nedenle, tüm makinenin satış sonrası hizmetinde önemli bir maliyet ve zorluk söz konusudur. Metal kaplama teknolojisi ve film kondansatör teknolojisinin gelişmesiyle, güvenlik filmi buharlaştırma teknolojisi kullanılarak ultra ince OPP film (en ince 2,7 µm, hatta 2,4 µm) ile 450V ila 1200V veya daha yüksek voltaj aralığında yüksek kapasiteli DC filtre kondansatörleri üretmek mümkün olmuştur. Öte yandan, DC-Link kapasitörlerinin bara ile entegrasyonu, invertör modülü tasarımını daha kompakt hale getirir ve devrenin istenmeyen endüktansını büyük ölçüde azaltarak devreyi optimize eder.