«Рассыпуха» силовой электроники для преобразователей энергии

August 5, 2013 by admin Комментировать »

Этим словом в среде разработчиков электронной техники обычно именуют комплектующие изделия, которые считаются тривиальными, то есть давно известными и применяющиеся широко. Обычно таким элементам в литературе не уделяют достаточного внимания. Это прежде всего выпрямительные диоды и диодные модули, конденсаторы, резисторы и т. д. Быть может, нам тоже имеет смысл поддаться всеобщей тенденции и отослать читателя к сайтам производителей и торгующим фирмам? Давайте все-таки не будем спешить: разговор этот не только возможен, но и принципиально важен, поскольку работоспособность статических преобразователей электроэнергии в значительной степени зависит от того, какие именно элементы, входящие в класс «рассыпуха», будут выбраны при проектировании.

Разговор об этих тривиальных компонентах мы начнем с силовых электролитических конденсаторов. Традиционно этот элемент используется во входном звене силовой схемы статических преобразователей в качестве фильтра пульсаций сетевого напряжения (рис. 2.7.1).

Рис. 2.7.1. Фильтрующие конденсаторы в составе статического преобразователя

Обкладки конденсатора (катод и анод) изготавливаются из алюминиевой ленты, между обкладками проложена специальная электролитическая бумага, пропитанная жидким электролитом. Одна из обкладок имеет очень тонкий слой окисла алюминия, появляющегося в результате электролитического окисления и являющегося диэлектриком. Этот оксидный слой имеет свойство односторонней проводимости, но в определенном направлении приложения электрического потенциала он обладает отличными диэлектрическими свойствами, а также малой толщиной, что позволяет изготавливать конденсаторы больших емкостей с небольшими размерами. Устройство обычного электролитического конденсатора графически иллюстрировано на рис. 2.7.2.

В связи с вышесказанным, подавляющее большинство выпускаемых промышленностью электролитических конденсаторов являются полярными элементами, и при их включении в схему нужно соблюдать соответствующую полярность. Если обе алюминиевые полосы имеют на своей поверхности слой окисла, конденсатор станет неполярным. Такие конденсаторы тоже серийно выпускаются, но приме

Рис. 2.7.2. Устройство электролитического конденсатора

няют их значительно реже полярных. Например, фирма «Hitano» выпускает неполярные электролитические конденсаторы серий ENR и ENA, имеющие диапазон емкостей от 0,47 до 1000 мкФ и рабочими напряжениями до 160 В с температурным диапазоном от минус 40 до +85 °С. Номенклатура отечественных конденсаторов серии K50-68H, выпускаемых отечественным ОАО «Элеконд» (г.Сарапул) [48], скромнее: от 2,2 мкФ до 22 мкФ в диапазоне напряжений от 16 до 50 В (в том же самом диапазоне рабочих температур).

Емкость алюминиевого электролитического конденсатора может приближенно быть вычислена из следующей формулы для плоскопараллельного конденсатора, известного из школьного курса физики:

где 8 — диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика;

S — площадь диэлектрика;

d — толщина диэлектрика.

Очевидно, чтобы достигнуть более высокой емкости конденсатора, диэлектрическая проницаемость и площадь диэлектрика должны быть как можно больше, а толщина диэлектрика — как можно меньше. В табл. 2.7.1 показаны значения диэлектрических постоянных и толщина материалов, использующихся в различных типах конденсаторов.

Но здесь появляется одна существенная техническая проблема: чем тоньше диэлектрик, тем меньше напряжение его пробоя. В случае электролитического конденсатора толщину диэлектрика можно снижать, рассчитывая ее на определенное максимальное рабочее напряжение и снижая габариты конденсатора. Но чем тольше оксидная пленка, тем более жесткие требования предъявляются к механической стойкости и к их надежности, долговечности, сроку службы.


Тип конденсатора

Диэлектрик

Диэлектрическая

проницаемость

Толщина диэлектрика, мкм

Алюминиевый электролитический конденсатор

Оксид

алюминия

7…10

0,0013…0,0015

Танталовый электролитический конденсатор

Оксид тантала

24

0,001…0,0015

Пленочный конденсатор (металлизированный)

Полиэстерная

пленка

3,2

0,5…2,0

Керамический конденсатор (с высокой диэлектрической проницаемостью)

Титанат бария

500…20 000

5,0

Керамический конденсатор (термокомпенсированный)

Оксид титана

15…250

5,0

Создание оксидной пленки происходит с помощью гальванического травления в хлориде алюминия при пропускании переменного (АС) или постоянного (DC) тока, либо попеременного чередования АС и DC токов. Существует два основных типа травления: поверхностное травление, являющееся в основном продуктом АС электролиза (выполняется для конденсаторов с низким значением допустимого рабочего напряжения), и туннельное травление, получающееся в результате DC электролиза (применяется для конденсаторов со средним и высоким значением допустимого напряжения). Затем диэлектрик помещается в раствор борной кислоты для очистки поверхностей.

Зачем в электролитическом конденсаторе присутствует электролит? Не проще было бы окислить обкладки и проложить между ними сухую бумагу, свернув затем этот «бутерброд» в трубочку? Оказывается, так делать нельзя. Конденсатор, изготовленный подобным способом, будет иметь небольшую и очень нестабильную емкость, так как обкладки получатся отстоящими друг от друга достаточно далеко, прилегать они будут неравномерно. Поэтому бумага пропитывается специальным электролитом — жидкостью, проводящей ток. Одна из алюминиевых обкладок в результате пропитки становится вторичным катодом, а собственно катод получается из бумаги, пропитанной электролитом. Таким образом, в качестве диэлектрика выступает оксидный слой, и достигается высокая емкость конденсатора.

К электролитической жидкости для пропитки конденсаторной бумаги предъявляются следующие основные требования: во-первых, она должна обладать хорошими токопроводящими свойствами; во-вторых, восстанавливать дефекты оксидного слоя; в-третьих, — не обра

зовывать химической реакции с фольгой анода и катода; в-четвертых, — не должна создавать давление внутри оболочки конденсатора при нормальной работе. С учетом приведенных требований разработаны разные типы электролитических жидкостей для работы при разных напряжениях и разных температурах.

Несколько слов о точности выдержки номинальных параметров конденсаторов. Стандартный допуск емкости электролитических конденсаторов обычно составляет ±20 % (группа M) и даже 50 %, однако выпускаются конденсаторы с более жестким допуском ±10 % (группа К), которые следует использовать обоснованно, то есть там, где это действительно необходимо.

Возможно, читатель уже задал себе вопрос — к чему все эти рассказы о технологии производства электролитических конденсаторов? Дело в том, что чистота материала обкладок, качество электролитической жидкости, плотность прилегания пропитанной бумаги к обкладкам — все это влияет на так называемые эквивалентные параметры конденсаторов. И если во многих случаях для применения того или иного «электролита» достаточно произвести его выбор по значению номинальной емкости и номинального напряжения, то при разработке силовой преобразовательной техники этого явно недостаточно. Необходимо принимать во внимание еще ряд параметров, о которых мы далее поговорим.

Итак, в группу основных параметров электролитических конденсаторов включаются: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и тангенс угла потерь (tg 5). Эти параметры определяют, по сути, полный импеданс конденсатора (Z), составляющие эквивалентной схемы которого приведены на рис. 2.7.3.

На рис. 2.7.3 обозначены: С — собственная емкость конденсатора; r — сопротивление утечки электролита; R — эквивалентное последовательное сопротивление; L — эквивалентная последовательная индуктивность.

Рис. 2.7.3. Эквивалентная схема конденсатора

На низких частотах (в диапазоне 0,05…1,00 кГц) эквивалентная последовательная индуктивность L обычно не учитывается в силу своей незначительности, и ESR имеет чисто активный характер. Такой случай обычно встречается при использовании конденсаторов для

фильтрации низкочастотных пульсаций напряжения. Тангенс угла потерь в этом случае определяется по формуле

i

Отметим, что сопротивление R обусловлено, главным образом, сопротивлением фольги обкладок и внешних выводов, а индуктивность L (в некоторых случаях она обозначается как ESL) — паразитной индуктивностью обкладок. Характер поведения различных составляющих полного сопротивления конденсатора в зависимости от частоты приведен на рис. 2.7.4.

Рис. 2.7.4. Характер поведения Xc, Z, X^ R от частоты

Из графика хорошо видно, что падение полного сопротивления конденсатора происходит до определенной частоты, после чего падение замедляется, стабилизируется на определенном уровне, близком к активному сопротивлению, и начинает расти. Рост полного сопротивления происходит вследствие наличия индуктивности L. Именно поэтому электролитические конденсаторы плохо «работают» в качестве фильтров на высоких частотах, и их приходится дополнительно шунтировать неполярными конденсаторами.

При выборе электролитических конденсаторов достаточное внимание нужно уделять токам утечки. Причина их появления кроется в неидеальном характере поляризации электролита, наличии влаги в диэлектрике, наличии неудаленных соединений хлора и металлических примесей. Величина тока утечки может быть уменьшена только на этапе изготовления конденсатора, и с улучшением уровня технологии его доля становится все меньше и меньше, однако полностью токи утечки исключить не удается. Более того, токи утечки прогрессируют во времени, они зависят от величины приложенного напряжения, температуры окружающей среды. Если есть необходимость длительного хранения электрического заряда, имеет смысл обратить внимание на значение этого параметра и осуществить выбор типа конденсатора по величине тока утечки (к примеру, для бутстрепных конденсаторов драйверов это очень важно).

Мы уже знаем, что в алюминиевых электролитических конденсаторах применяется жидкий электролит, который, как любая другая жидкость, обладает вязкостью и проводимостью. На эти параметры внешняя среда оказывает существенное влияние. Электрическая проводимость электролита увеличивается с увеличением температуры и снижается при ее понижении. Рассмотрим влияние температуры на емкость конденсатора, тангенс угла потерь, ESR, полное сопротивление и ток утечки.

Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов увеличивается при увеличении температуры и, соответственно, уменьшается при ее падении. Связь между значением емкости и температурой окружающей среды приведена на рис. 2.7.5.

Рис. 2.7.5. Типовая зависимость емкости от температуры

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), а следовательно, и тангенс угла потерь, и полное сопротивление (Z) изменяются при изменении температуры и частоты. Наиболее типичный характер изменения тангенса угла потерь для электролитических конденсаторов показан на рис. 2.7.6. Хорошо видно, что с ростом частоты растут и потери.

Электролитические конденсаторы ограничены в режимах работы с пульсирующими токами. Проще говоря, пульсация напряжения на выводах конденсатора не должна превышать величины, задаваемой в

Рис. 2.7.6. Типовая зависимость тангенса угла потерь от частоты

технической документации. Дело в том, что обычно пульсации связаны с циклическим характером работы конденсатора в режиме «заряд-разряд». Протекающие в это время реактивные токи выделяют на сопротивлении ESR тепло — конденсатор разогревается. Поэтому крайне необходимо рассчитывать величину фактического реактивного тока и сравнивать ее с допустимой на данный тип конденсатора. Понятно, что конденсаторы с проволочными выводами допускают сравнительно небольшие величины токов, а вот для работы в мощных силовых устройствах специально выпускаются конденсаторы с резьбовыми втулками и прижимными винтами.

Иногда для увеличения допустимого напряжения электролитические конденсаторы включают последовательно. Так однозначно придется поступить при разработке силовой схемы преобразователя с питанием от трехфазной сети переменного тока 380 В 50 Гц. Амплитудное значение напряжения на конденсаторах входного фильтра в этом случае может достигать 540 В, в то время как найти «электролит» с допускаемым напряжением более 450 В крайне сложно. Хотя, в принципе, некоторые фирмы выпускают электролитические конденсаторы на номинальное напряжение 550 В, однако число таких фирм можно пересчитать по пальцам, и в случае необходимости ремонта вышедшего из строя преобразователя подобрать адекватную замену из номенклатуры других фирм окажется сложнее. На рис. 2.7.7 показан вариант последовательно-параллельного включения конденсаторов. Чтобы сбалансировать конденсаторы по токам утечки, включаются дополнительные выравнивающие резисторы RVSR, величина которых рассчитывается по эмпирической формуле:

Если в указанную формулу подставить емкость конденсатора в мкФ, то рассчитанная величина резистора будет в кОм.

В качестве примера рассмотрим несколько типономиналов электролитических конденсаторов, применяющихся для построения силовых схем статических преобразователей. На рис. 2.7.8 показан внешний вид серий конденсаторов типа B43566 и B43586, производимых фирмой «Epcos». Эти конденсаторы специально спроектированы для применения в статических преобразователях электроэнергии и отвечают всем требованиям, предъявляемым к конденсаторам такого класса. Во-первых, конденсаторы имеют мощные выводы для подключения силовых шин, оснащенные винтовыми зажимами, что позволяет соединять их в блоки, накладывая сверху плоскую токоведущую шину (в том числе и многослойную). Во-вторых, конструктивно они спроектированы так, чтобы обеспечить минимальные значения паразитных ESR и ESL. В-третьих, сроки службы конденсаторов достаточно велики (фирма гарантирует работоспособность в течение 250 тыс. часов при температуре +40 °С), что, конечно, является большим подспорьем для создания долговечного статического преобразователя. Опытные разработчики электронной аппаратуры знают, что электролитические конденсаторы традиционно являются одним из самых недолговечных электронных компонентов — они «сохнут» и теряют свою емкость. Поэтому любые шаги, направленные на продление их сроков службы, заслуживают особого внимания.

Приведенные типы конденсаторов выпускаются на диапазон номинальных напряжений 350…450 В, выдерживают перегрузку по напряжению не более 10 % от номинального. Диапазон емкостей конденсаторов составляет 470…6800 мкФ. Выводы конденсаторов выдерживают максимальные переменные значения токов (в зависимости от исполнения типономинала) отЗОдо 70A. Средние значения ESLjym конденсаторовсоставляют: 15 нГндляисполненийдиаметром 51,6 мм; 20 нГндляиспол-

Рис. 2.7.7. Последовательно-параллельное включение конденсаторов

Рис. 2.7.8. Внешний вид конденсаторов B43566 и B43586

нений 79,6 и 91 мм. Значения ЕБЯдля каждого номинала конденсатора разные. Например, для типономинала 680 мкФ с номинальным напряжением 450 В это значение составляет 350 мОм, а для типономинала 3300 мкФ на то же номинальное напряжение — 70 мОм (измерения проведены для частоты 100 Гц). Характеристика зависимости ESR от частоты показана на рис. 2.7.9. На представленном графике кривая «а» относится к конденсаторамсдиаметром 76,9 и 91 мм, кривая «Ь» — к конденсаторам сдиаметром 64,3 мм, кривая «с» — к конденсаторам сдиаметром 51,6 мм. График нормирован к значению ESR на частоте 100 Гц.

Рис. 2.7.9. Зависимость ESR от частоты для конденсаторов B43566 и B43586

Так как конденсаторы «работают» в режиме перезарядки силовыми токами значительной величины, их конструкция выполнена таким образом, чтобы обеспечить при необходимости надежное охлаждение корпуса. На рис. 2.7.10 показано, что конденсатор при необходимости можст устанавливаться на теплоотвод через изолирующую теплопроводящую прокладку.

Второй пример конденсатора типа K50-77, выпускаемого ОАО «Элеконд», показан на рис. 2.7.11. Конденсаторы выпускаются в диапазоне номинальных емкостей от 1000 до 100 000 мкФ и обеспечивают работу в диапазоне напряжений от 16 до 450 В (также в зависимости от конкретного типоисполнения). Значение ESL в данном случае составляет для всех типов порядка 115 нГн, то есть почти на порядок выше, чем у описанных выше конденсаторов. Полное сопротивление типономинала K50-77 с номинальной емкостью 1500 мкФ и номинальным напряжением 450 В (ближайший аналог конденсаторов, производимых

Рис. 2.7.10. Установка конденсатора на теплопроводящую прокладку

«Epcos»), измеренное на частоте 10 кГц, составляет 70 мОм. Конструктивно конденсатор имеет несколько исполнений, в том числе и с резьбовой шпилькой, рассчитанной на крепление дна алюминиевого стакана. Другие исполнение предполагает крепление конденсатора посредством дополнительного хомута, охватывающего корпус (хомуты могут поставляться вместе с конденсатором).

И, тем не менее, несмотря на достаточно средние технические характеристики, конденсатор может служить примером удачной отечественной разработки, которую возможно применять в преобразовательной технике.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты