Конденсаторы Electronicon для силовой электроники Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

10

www.finestreet.ru

компоненты

пассивные элементы

Конденсаторы Electronicon

для силовой электроники

Алексей ЮШКОВ

yushkov_alexei@argussoft.ru

Данная статья посвящена вопросам, связанным с ассортиментом и характеристиками конденсаторов, выпускаемых компанией Electronicon Kondensatoren GmbH, их применением в силовой электронике. Рассмотрены проблемы выбора конденсаторов в сложившихся конкурентных условиях, надежность конденсаторов, возможность работать в различных режимах и климатических условиях, а также влияние паразитных эффектов.

Введение

До настоящего времени в сегменте рынка конденсаторов в России была широко представлена продукция таких компаний, как Zez-Silco, Epcos AG, Icar S.P.A., Vishay, AVX.

Сейчас на российском рынке появилась продукция одного из ведущих предприятий Европы по изготовлению конденсаторов — компании Electronicon Kondensatoren GmbH. В данной статье подробно рассмотрим конденсаторы компании Electronicon для силовой электроники.

В настоящее время ассортимент и характеристики конденсаторов, выпускаемых отечественной промышленностью, значительно уступают зарубежным аналогам (особенно по массогабаритным показателям и качеству) и, как следствие, их применение во вновь разрабатываемой аппаратуре заведомо ухудшает ее характеристики и уменьшает конкурентоспособность.

В создавшихся конкурентных условиях на первое место при выборе конденсатора ставят качество, надежность, возможность компонента работать в различных режимах и климатических условиях. Значительное влияние на перечисленные показатели оказывают паразитные эффекты. Для оценки их влияния рассмотрим эквивалентную схему реального конденсатора.

Эквивалентная схема конденсатора

Эквивалентная схема состоит из следующих элементов:

• C — номинальная емкость конденсатора;

rda, cd

диэлектрическая абсорбция

(память), эквивалентное активное сопротивление, обусловленное потерями в изо-

лирующем диэлектрике и сквозными токами утечки, которое определяется тангенсом угла диэлектрических потерь на рабочей частоте.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы тока и напряжения сдвинуты на угол 8. Угол 8 называется углом диэлектрических потерь. При отсутствии потерь 8 = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Ра к реактивной Рр при синусоидальном напряжении определенной частоты (1).

Здесь ф — угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи «конденсатор — источник тока»; 8 — угол потерь, дополняющий до 90° угол сдвига фаз ф.

Как правило, tg 8 имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение tg 8 увеличивается. Величина, обратная tg 8, называется добротностью конденсатора. Чем больше добротность конденсатора, тем меньше потери в нем при прочих равных условиях.

• КЕ5 — эквивалентное последовательное сопротивление, активная составляющая сопротивления обкладок и выводов конденсатора на рабочей частоте. Исключая случаи, когда работа происходит в импульсном сильноточном режиме, ее влиянием на уро-

вень пульсаций можно пренебречь. Величина ЯЕ8 зависит от метода металлизации обкладок, конструкции выводов и рабочей частоты. Параметры ЯЕЗ и Кол ограничивают значение максимально допустимой реактивной мощности конденсатора на конкретной частоте. Наличие ЯЕ8 приводит к рассеянию энергии на конденсаторе и, следовательно, снижению производительности при протекании по нему больших переменных токов. Это может иметь серьезные последствия при использовании конденсаторов в высокочастотных схемах, когда через конденсатор текут значительные пульсирующие токи.

Чаще всего наименьшим КЕБ обладают слюдяные и пленочные конденсаторы. Компании Е1еС:гошсоп удалось снизить эквивалентное последовательное сопротивление некоторых конденсаторов до значения 0,25 мОм.

• КЕ — параллельное сопротивление (сопротивление утечки конденсатора). КЕ обусловлено наличием тока утечки 1Е и определяется отношением напряжения и, приложенного к конденсатору, к значению этого тока:

(2)

Наибольшим током утечки обладают конденсаторы электролитического типа (танта-ловые и алюминиевые). При использовании поликристаллических конденсаторов фирмы ИеСтотсоп наблюдается незначительный ток утечки за счет высокого сопротивления изоляции.

#8 = — = 6 р

р

1/х/хcos ф _ cos(90-8)_ sin8 [/x/xsin ф sin(90 - 8) cos8

(1)

пассивные элементы

• Les — эквивалентная последовательная индуктивность — паразитная индуктивность выводов, которая оказывает наибольшее влияние на уровень пульсаций напряжения при высоких рабочих частотах. Количественно она зависит от технологии намотки, номинальной емкости конденсатора и конструкции выводов.

Влияние частоты на работу конденсаторов

Очень часто при разработке новой аппаратуры важно влияние частоты на параметры работы компонентов. В современной литературе, посвященной проектированию устройств, в которых одним из важнейших компонентов являются конденсаторы, приведены методики расчета номинальных емкостей (как правило, для низкочастотных схем).

Рассмотрим проблему расчета и выбора типа конденсатора в мощных высокочастотных устройствах. Сложность заключается в том, что величины паразитных элементов, приведенные на рис. 1, становятся определяющими, когда идет речь о фронтах формируемых импульсов, уровне пульсаций напряжения на конденсаторе и допустимом уровне реактивной мощности на заданной частоте. Это особенно актуально для высоковольтных конденсаторов, которые имеют большие габариты (и, соответственно, более длинные выводы и большую площадь обкладок) по сравнению с низковольтными конденсаторами равной емкости.

Уровень пульсаций напряжения обусловлен влиянием паразитных параметров схемы замещения конденсатора на высоких частотах и определяется в основном величиной Les. Влиянием REs можно пренебречь, так как в практических схемах, как правило, имеет место соотношение:

'ES’

Û» LESx(di/dt).

Рассмотрим влияние паразитной индуктивности на уровень пульсаций выходного напряжения.

Пусть ток изменяется по закону, близкому к гармоническому, с частотой £

i(t) = Imxsin(2pxfxt),

(5)

где 1т — амплитуда переменной составляющей тока. Тогда составляющая пульсаций, вызванная влиянием паразитной индуктивности, имеет амплитуду

Ûn » 2pxfxImXL

ES.

(6)

(3)

где ]т — верхняя граница частотного спектра протекающего тока. При работе на высоких частотах с быстрыми перепадами тока в импульсном режиме сопротивление конденсатора становится индуктивным, и перепады напряжения определяются не номинальной емкостью С, а паразитной индуктивностью 1Е5. В этом случае кратковременные изменения напряжения на конденсаторе будут больше зависеть не от протекающего тока, а от скорости его изменения во времени:

Величина Ün на конденсаторе прямо пропорциональна рабочей частоте f и паразитной индуктивности Les .

Электролитические и обычные бумажные или пластиковые пленочные конденсаторы состоят из двух полос металлической фольги, разделенной слоями бумажного или пластикового диэлектрика и свернутой в рулон. Такая структура обладает значительной собственной индуктивностью и на высоких частотах ведет себя скорее как катушка индуктивности, а не как конденсатор.

Наиболее часто используются для работы на высоких частотах монолитные керамические конденсаторы, обладающие очень малой последовательной индуктивностью. Такие конденсаторы представляют собой многослойную структуру из металлических пластин и керамического диэлектрика. Эти пластины соединены между собой параллельно двумя электрическими шинами, а не свернуты в рулон. Главным недостатком керамических конденсаторов является то, что они могут быть чувствительны к вибрациям (микрофонный эффект).

Конденсаторы серий Е5х

Фирма Electronicon занимается оптимизацией параметров конденсаторов в течение последних 60 лет. Компания ведет непрерывную исследовательскую работу, вкладывая много средств в новые разработки, что гарантирует высокое качество выпускаемых изделий и соответствие их технических характеристик самым жестким современным требованиям. Продукция Electronicon сертифицирована

по стандарту ISO 9001. Начиная с 1989 года система обеспечения качества фирмы проверялась Британским институтом стандартизации, а с 1995 года — немецким органом сертификации TÜV.

С 1985 года компания не только производит конденсаторы, но и является признанным поставщиком металлизированных диэлектрических материалов, удовлетворяющих высшим мировым стандартам.

В результате проведенных исследований была разработана серия универсальных конденсаторов (табл. 1) серий Е5х, имеющих улучшенные параметры (включая удельную емкость на единицу объема при напряжениях 550-50 000 В). Все конденсаторы прошли испытания как в действующей, так и во вновь разработанной аппаратуре, и продемонстрировали высокое качество и надежность. Благодаря использованию высококачественных полипропиленовых пленок и специальным методам намотки обкладок удалось достичь эквивалентной индуктивности (включая индуктивность выводов) 20-70 нГн в зависимости от номинальной емкости конденсатора.

Данные серии (Е5х) нашли широкое применение по следующим направлениям:

Серия Е50. Используется для разделительных цепей и фильтров постоянного тока. За счет своей высокой удельной энергии конденсаторы данной серии могут заменить несколько последовательно включенных электролитических конденсаторов, а благодаря своему компактному цилиндрическому корпусу, выполненному из алюминия, полностью удовлетворяют как электрическим, так и механическим требованиям, предъявляемым к конденсаторам при использовании их в высокоскоростных IGBT-конверторах.

Серия Е51. Конденсаторы общего применения для силовой электроники прежде всего подходят для использования в разделительных схемах высокого напряжения. Несмотря на высокое номинальное напряжение (до 50 кВ), конденсаторы Е51 изготавливаются по сухой технологии. Наряду с большим диапазоном емкостей, данные конденсаторы обладают высокой импульсной прочностью.

Серия Е52. За счет очень низкого сопротивления конденсаторы серии Е52 позволяют значительно снизить потери энергии. Одной из характеристик данной серии является спо-

Таблица 1. Параметры универсальных конденсаторов серий Е5х

(4)

Величина ЬЕ5 накладывает ограничения на формирование коротких фронтов и спадов напряжения в импульсных устройствах. В практических разработках это приводит к возникновению резонансных выбросов напряжения на конденсаторе, в результате чего могут возникнуть аварийные режимы работы (особенно полупроводниковых приборов).

Емкость С, мкФ Эквивалентное сопротивление Res, мОм Максимальный ток Imax, А Номинальное напряжение U, В Пиковый ток 1п, кА Неповторяющийся ток перегрузки Is, кА Индуктивность Les, нГн Тангенс угла потерь

Е50 — низкоиндуктивные DC-конденсаторы технологии МКР для силовой электроники

I от 200 до 2900 от 0,5 до 3 1 до 120 1 до 1300 DC от 1,5 до 16,5 от 5 до 50 от 40 до 70 1 2х10-4 1

Е51 — низкоиндуктивные AC/DC-конденсаторы общего применения для силовой электроники

1 от 0,5 до 667 от 0,5 до 6 до 90 до 50 000 DC до 35 000 AC до 11 до 33 до 20 1 2х10-4

Е52 — низкоиндуктивные AC/DC-конденсаторы общего применения для силовой электроники

1 от 0,5 до 18 от 0,25 до 2,8 до 100 до 2400 DC 1000 AC до 100 до 11 10 1 2х10-4

Е53 — низкоиндуктивные AC/DC-конденсаторы общего применения для силовой электроники

1 от 1 до 300 от 0,2 до 9,7 1 до 100 1 от 550 до 3200 до 3,4 до 10 до 30 1 2х10-4 1

Е56 — низкоиндуктивные DC-конденсаторы в прямоугольных корпусах

1 от 700 до 30 000 от 0,35 до 5 до 400 от 800 до 4000 DC до 10 до 30 100 1 2х10-4 1

12

компоненты

пассивные элементы

Design N1/N5

M6x1Q d

Design T1/T2

p----Мгчг—™=

M12

Ш-

Рис. 3. Примеры конструктивного исполнения конденсаторов Electronicon

собность работать при токах высоких пульсаций при низком значении емкости. Наиболее часто серия Е52 используется для демпфирования в схемах с ОТО-тиристорами, также для работы при высоких значениях тока, а очень низкая собственная индуктивность позволяет их использовать при работе на высоких частотах.

Серия Е53. Высокая импульсная прочность, низкое последовательное сопротивление и способность работать при больших значениях тока позволили конденсаторам этой серии найти широкое применение для демпфирования в схемах с ОТО-тиристорами и в низкоиндуктивных разделительных схемах с высоким среднеквадратическим значением тока. Также эту серию отличает способность самовосста-навливаться без потерь емкости и очень низкая собственная индуктивность, что значительно расширяет круг возможных применений.

Серия Е56. Конденсаторы данной серии выполнены в прямоугольных алюминиевых или стальных корпусах с использованием РИИ-смо-лы в качестве наполнителя и оснащены датчиком давления для внешнего контроля внутреннего давления. Собственная индуктивность не превышает 100 нГн. Конденсаторы способны работать при высоких температурах, имеют высокую стойкость к неповторяющемуся току перегрузки и среднеквадратическое значение тока до 400 А. Благодаря этим характеристикам конденсаторы серии Е56 нашли широкое применение в силовой электронике.

В конденсаторах серий Е5х в зависимости от требований, предъявляемых в том числе и к характеристикам выводов, используются различные конструктивные исполнения. На рис. 3 показаны наиболее часто применяемые решения.

Вопросы эксплуатационной надежности

Эксплуатационная надежность конденсаторов в аппаратуре во многом определяется воздействием комплекса факторов, которые по своей природе можно разделить на следующие группы:

• электрические нагрузки;

• климатические нагрузки;

• механические нагрузки;

• радиационное воздействие.

Под воздействием указанных факторов происходит изменение параметров конденсаторов. Наиболее часто встречающиеся электрические и климатические нагрузки рассмотрим подробнее.

Температура и влажность окружающей среды являются важнейшими факторами, влияющими на надежность, долговечность и сохраняемость конденсаторов. Длительное воздействие повышенной температуры вызывает старение диэлектрика, в результате чего параметры конденсаторов претерпевают необратимые изменения. Тепловое воздействие на конденсатор мо-

жет быть периодически изменяющимся. Наряду с внешней температурой на конденсаторы в составе аппаратуры может дополнительно воздействовать теплота, выделяемая другими сильно нагревающимися при работе компонентами.

В условиях повышенной влажности на электрические характеристики конденсаторов влияет как пленка воды, образующаяся на поверхности, так и внутреннее поглощение влаги диэлектриком. Длительное воздействие повышенной влажности наиболее сильно сказывается на изменении параметров негерметизированных конденсаторов. Проникновение влаги внутрь конденсатора снижает его сопротивление и электрическую прочность. Влага вызывает коррозию металлических деталей и контактной арматуры конденсаторов.

Наибольшие необратимые изменения параметров вызываются длительным воздействием электрической нагрузки, при котором происходит старение, ухудшается электрическая прочность.

При постоянном напряжении основной причиной старения являются электрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением температуры и влажности окружающей среды.

При переменном напряжении и импульсных режимах основной причиной старения являются ионизационные процессы, возникающие внутри диэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в местах газовых включений.

Напряжение электрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытаниях выбирается с некоторым запасом, эксплуатация

под электрической нагрузкой, превышающей номинальное напряжение, резко снижает надежность конденсаторов.

Конденсаторы серий Е6х

Рассматривая процессы, происходящие при эксплуатации конденсатора, можно увидеть, что важным критерием при выборе является соответствие свойств материала диэлектрика и обкладок решаемой задаче, возможность работы в широком температурном диапазоне и в условиях высоких импульсных кратковременных токов, а также величина отклонения от номинальных значений параметров под влиянием внешних воздействий. Эти факторы очень важны при выборе конденсатора, так как непосредственно определяют потери энергии в нем.

Многолетняя работа по улучшению показателей продукции, а также мощные инвестиции в современные и безопасные технологии позволили компании Electronicon произвести разработку и наладить серийный выпуск конденсаторов серий Е6х. В данной серии удалось реализовать качественно новый уровень эволюции конденсаторов (табл. 2).

Максимальное отклонение параметров составляет ±5-10% при допустимых рабочих температурах -40...+85 °С. Тангенс угла потерь tgS = 2x10-4. Неповторяющийся ток перегрузки IS : до 20кА — пиковое значение однократного тока, которое конденсатор может выдержать без повреждения при максимальной длительности 50 мс и максимальном количестве импульсов тока в течение срока службы — 1000.

Серии Е6х нашли широкое применение по следующим направлениям:

пассивные элементы

Таблица 2. Параметры конденсаторов серий Е6х

Емкость С, мкФ Эквивалентное сопротивление Res, мОм ТСК Rth, °С/Вт Максимальный ток ■max, А Номинальное напряжение U, В Пиковый ток ■г кА Неповторяющийся ток перегрузки Is, кА Тангенс угла потерь

Е61 — DC-конденсаторы технологии МКР для силовой электроники

1 от 7 до 22 от 3,8 до 6,2 от 3,8 до 6,5 1 16 1 от 500 до 1000 до 1,1 1 до 2,2 2x10-4 1

Е62 — универсальные AC/DC-конденсаторы общего применения для силовой электроники

1 от 1 до 2000 от 0,5 до 21 от 1 до 31 до 100 до 5000 DC, 4000 AC до 15 до 20 2x10-4 1

Е62 — 3-фазные АС-конденсаторы фильтры и корректоры коэффициента мощности в 3-фазных сетях

1 от 3x4,7 до 3x100 от 3x0,4 до 3x2 от 3 до 7,6 до 3x43 от 640 до 1800 до 3 до 15 2x 10-4 1

Е63 — универсальные AC/DC-конденсаторы общего применения для силовой электроники

1 от 0,5 до 1800 от 0,6 до 12 от 1 до 13,5 до 100 от 800 до 6300 до 15 до 20 2x 10-4 1

Серия Е61. DC-конденсаторы для прямого РСВ-монтажа нашли универсальное применение в силовой электронике:

• коммутирующие конденсаторы, устанавливаемые параллельно тиристорам и используемые для вывода тиристора из проводящего состояния;

• опорные конденсаторы для подавления индустриальных и высокочастотных помех, создаваемых промышленными и бытовыми приборами (фильтры нижних частот);

• сглаживающие конденсаторы, используемые для уменьшения уровня пульсаций в шинах постоянного тока цепей питания;

• конденсаторы импульсного разряда, работающие на низких частотах в условиях быстрого разряда при высоких разрядных токах — данный тип емкостей используется в лазерной технике, импульсных генераторах.

Серия Е62. 1-фазные и 3-фазные универсальные АСЮС-конденсаторы, которые могут использоваться как коммутирующие, сглаживающие или разрядные. 3-фазные АС-конденсаторы используются как фильтры и корректоры коэффициента мощности в 3-фазных сетях, способные подавлять помехи переменного тока заданной частоты.

Серия Е63. DC-конденсаторы, которые могут использоваться как сглаживающие и накопительные. Чаще всего применяются для накопления энергии в промежуточных цепях постоянного тока многофазных приводов и импульсных преобразователей. Конденсаторы Е63 могут работать в условиях высоких импульсных кратковременных токов, пиковое значение которых намного превышает среднеквадратичное.

Пример выбора основных характеристик конденсатора

Рассмотрим пример выбора основных характеристик для конденсатора с емкостью 20 мкФ и изменением напряжения, показанным на рис. 4, для применения в силовой электронике.

• Номинальное напряжение конденсатора

должно быть эквивалентно либо превышать большее из двух напряжений U1 и и2 (на рис.), то есть:

Определим скорость нарастания напряжения по следующей формуле:

¿и _ и1 + и2 _ 1500 в

Л

dt

100 мс

15 В/мс. (8)

Для нашего примера:

1\ = 0,84 Ш + 2,81 W = 3,65Ш, (12)

®и = ®НОГ_8РОТ- = 48 °С. (13)

• Рабочая температура окружающей среды

Зная температурный коэффициент сопротивления конденсатора, мы можем посчитать разницу между температурой окружающей среды и самой нагретой точкой внутри конденсатора:

АТ = RthxPV =

: 5,9K/Wx3,65W = 21,5k. (14)

Для обеспечения жизненного цикла конденсатора >1х105 часов температура самой нагретой точки не должна превышать 70 °С. Это значит, что максимальная температура окружающей среды не должна быть больше

= ®НОГ_8РОГ - = 48 °С (15)

Сравнение конденсаторов

В заключение предлагаем сравнить конденсаторы для силовой электроники ведущих зарубежных производителей (табл. 3-4).

Резюме

Итак, основные достоинства и недостатки наиболее часто используемых конденсаторов:

• Электролитические алюминиевые конденсаторы наиболее широко представлены на рынке с хорошим выбором номиналов, работают при больших токах и высоких напряжениях, имеют малые размеры, но при работе с ними наблюдается значительная утечка, также они обычно являются поляризованными с плохой стабильностью, низкой точностью и достаточно высокой самоиндуктивностью.

• Электролитические танталовые конденсаторы выпускаются малых размеров с большими номиналами и умеренной индуктивностью, но при этом присутствует очень большая утечка. Они дорогие,

Таблица 3. Сравнительные характеристики конденсаторов компаний Electronicon серии Е56 и Epcos серии В25650

• Пиковый ток I — допустимая амплитуда тока в повторяющемся режиме. Определяется по допустимой скорости нарастания напряжения сЮ/сЬ.

1=с*™=

л

= 15 В/мсх20 мкФ = 300 А. (9)

• Номинальный ток:

^ = Л/2хтх/0= 46,5 А . (10)

Согласно 1ЕС1071, максимально допустимая рассеиваемая мощность определяется по формуле:

Ру = РВ + РУк =

= £/хлХ0хС^5о + 1гш1хКз • (11)

Емкость С, мкФ Номинальное напряжение U, В Максимальный Дипазон рабочих Индуктивность ток !тах, А температур, °C LES, нГн Тангенс угла потерь Размеры LxWxH, мм Срок службы, тыс. часов

1 Electronicon серии Е56

1 5000 1 2000 DC 1 до 400 1 от -40 до +70 1 100 | 2x 10-4 340x125x600 1 100

1 Epcos серии B25650

1 5000 1 2000 DC 1 до 110 1 от -40 до +70 1 140 | 2x 10-4 455x175x565 1 100

Таблица 4. Сравнительные характеристики конденсаторов компаний Е1ес1гоп1соп серии Е62 и У^Иау серии 1.1-1000!БР

Un > 1000 B.

(7)

Емкость С, мкФ Номинальное напряжение U, В Максимальный ток Imax, А Неповторяю-щийсяток перегрузки Is, кА Дипазон рабочих температур, °С Индуктивность Les, нГн Тангенс угла потерь Эквивалентное сопротивление, мОм ТСК Т/Вт

1 Electronicon серии Е62

1100 1 1 1000 DC, 640 AC 1 1 до 100 1 до 20 от -40 до +70 1 100 1 2x 10-4 1 1 0,6 1 1 1

Vishay 1.1- 1000IBR

1100 1000 DC, 275 AC до 62 до 10 от -40 до +70 1 140 2x 10-4 1 1 2,9 1 1 5,4

имеют плохую стабильность и низкую точность.

• Монолитные керамические конденсаторы обладают низкой индуктивностью, малыми потерями на высоких частотах, на рынке представлен широкий выбор номиналов, но при этом смущает низкая стабильность, высокая диэлектрическая абсорбция и слишком большие размеры.

• Полистироловые конденсаторы относительно недороги и обладают достаточно низкой диэлектрической абсорбцией и хорошей стабильностью, но чаще всего повреждаются при температуре выше +85 °С,

имеют большие размеры корпуса и высокую индуктивность.

• Тефлоновые конденсаторы обладают достаточно низкой диэлектрической абсорбцией, хорошей стабильностью, работают при температурах выше +125 “С, но дороги, имеют большие размеры и высокую индуктивность.

Компания Electronicon Kondensatoren производит полипропиленовые конденсаторы с самовосстанавливающимся диэлектриком, оснащенные предохранителем-прерывателем, которые в отличие от других поликристалли-ческих конденсаторов могут иметь диэлект-

рическую абсорбцию менее 0,001%, сравнительно небольшие размеры и индуктивность порядка 20 нГн, а в отличие от электролитических, имеют гораздо большую импульсную прочность и стабильность напряжения, малое эквивалентное последовательное сопротивление (до 0,25 мОм) и незначительный ток утечки. Все это позволяет применять данные конденсаторы во многих областях силовой электроники.

Более подрбную информация о конденсаторах компании Electronicon Kondensatoren GmbH можно найти на сайте http://www.electronicon.com. ■