Zorg dat de DC link condensator niet de zwakste schakel in het ontwerp van je vermogensomvormer is

Gelijkstroom (DC) link condensatoren zijn in veel toepassingen kritieke componenten, bijvoorbeeld bij driefasen omvormers voor de aansturing van de elektromotoren in elektrische auto's (EV's), omvormers voor zonnepanelen en windturbines, industriële motoren, onboard laders voor elektrische auto's en voedingen voor medische of industriële apparatuur. Het is belangrijk van de laatste ontwikkelingen op de hoogte te blijven. Als DC link condensatoren niet op de juiste wijze worden toegepast, dan kunnen zij de 'zwakste schakel' vormen en zorgen voor een lagere energiedichtheid en mindere betrouwbaarheid.

Het is spijtig voor ontwerpers dat, in tegenstelling tot halfgeleidertechnologie, die zich snel ontwikkelt, de vooruitgang in condensatortechnologie langzaam gaat en vaak over het hoofd wordt gezien. De uitdaging wordt nog groter doordat de verschillende condensatortechnologieën zich in verschillend tempo ontwikkelen: aluminium elektrolytische condensatoren zijn volwassener en ontwikkelen zich langzamer, terwijl filmcondensatoren en meerlaags keramische condensatoren (MLCC's) zich sneller ontwikkelen. Aluminium elektrolytische condensatoren hebben gewoonlijk een groter capaciteit per volume-eenheid dan filmcondensatoren en MLCC's, maar de verschillen kunnen variëren.

Zo kan het upgraden van vermogensschakelaars met hoogfrequente apparatuur, zoals bij het vervangen van IGBT's door MOSFET's of het vervangen van silicium componenten door vermogensschakelaars met brede band gap (WBG), een goed moment zijn om de in het verleden gedane keuzes voor DC link condensatoren te heroverwegen. Elke DC link condensator-technologie biedt een unieke set eigenschappen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Vergelijking van DC link condensatoren waarbij voor de belangrijkste technologieën de spanning tegen de capaciteit is afgezet. CeraLink condensatoren van TDK zijn MLCC's, die geoptimaliseerd zijn voor gebruik als DC link condensator. (Bron afbeelding: TDK Electronics)

Aluminium elektrolyten zijn de meest voorkomende DC link condensatoren. Ze combineren een hoge energiedichtheid met lage kosten. Ze worden vaak gebruikt voor de aansturing van industriële motoren, noodstroomvoedingen (UPS'en) en allerlei consumenten-, bedrijfs- en industriële toepassingen. Maar de relatief korte levensduur en gebruik voor alleen lage frequenties kan de toepassing ervan voor veeleisende toepassingen in de weg staan.

Filmcondensatoren zijn vaak als DC link condensator te vinden in veeleisende toepassingen als aansturingen voor EV's. Filmcondensatoren zijn betrouwbaarder, kunnen grotere stroomsterktes aan, hebben een lagere equivalente serieweerstand (ESR) en kunnen bij hogere frequenties worden gebruikt dan elektrolyten. Maar net als elektrolyten hebben filmcondensatoren een betrekkelijk lage bedrijfstemperatuur van circa 105 graden Celsius (°C).

MLCC's vormen een derde mogelijkheid. Deze condensatoren hebben een hogere nominale RMS stroomsterkte en zijn tegen hogere temperaturen bestand dan andere condensatoren. Het nadeel is dat er voor een bepaalde energiedichtheid een relatief groot aantal MLCC's nodig is, waardoor het lastig wordt een lay-out te implementeren met een gelijkmatige stroomverdeling. Bovendien kunnen MLCC's betrouwbaarheidsproblemen hebben: het keramische diëlektricum is star en kan door mechanische of thermische spanningen barsten waardoor de polen kunnen worden kortgesloten.

Het moge duidelijk zijn dat de 'perfecte' condensator voor alle toepassingen van DC link condensatoren niet bestaat. U moet de nieuwste technologische en productontwikkelingen bekijken om tot de beste oplossing voor een bepaald project te komen. We gaan daarom enkele van de afwegingen en mogelijkheden van representatieve componenten bekijken, zoals een aluminium elektrolyt van Cornell Dubilier Electronics, een filmcondensator van KEMET en MLCC's van TDK Corporation.

Elektrolyten voor ontwerpen met hoge rimpelstromen

In toepassingen met hoge rimpelstromen kunt u de 381LR serie van Cornell Dubilier Electronics gebruiken, met nominale waardes van 200 tot 450 Volt gelijkspanning en 56 tot 2200 microfarad (µF), en die tegen een tenminste 25% hogere rimpelstroom bestand zijn dan standaard elektrolyten voor 105 °C (Afbeelding 2). Recente ontwikkelingen in elektrolytformules hebben tot de lage ESR geleid waardoor deze condensatoren tegen de hoge rimpelstromen bestand zijn. Dat betekent dat er in aansturingen van motoren, noodstroomvoedingen (UPS'en) en andere toepassingen met hoge rimpelstromen minder condensatoren nodig zijn.

Afbeelding 2: De 381LR aluminium elektrolytische condensatoren hebben een nominale spanning van 200 tot 450 volt gelijkspanning en een capacitiet van 56 tot 2200 µF. (Bron afbeelding: Jeff Shepard, gebaseerd op bronmateriaal van Cornell Dubilier Electronics)

Filmcondensatoren worden in aansturingen van elektromotoren in de automobielindustrie gebruikt

Als u systemen voor zware omstandigheden ontwerpt, zoals aansturingen voor elektromotorenin automobieltoepassingen, dan vormen de KEMET DC link C4AK filmcondensatoren met een levensduur van 4000 bedrijfsuren op 125 °C en 1000 bedrijfsuren op 135 °C een goede optie (Afbeelding 3). Deze componenten zijn voor compacte systeemontwerpen gemaakt in de vorm van een ronde doos voor directe laag profiel montage op printplaten en er zijn minder parallel geschakelde condensatoren nodig om piek- en rimpelstromen aan te kunnen.

Afbeelding 3: De KEMET DC link C4AK serie filmcondensatoren hebben een levensduur van 4000 bedrijfsuren bij 125 °C en 1000 bedrijfsuren bij 135 °C. (Bron afbeelding: KEMET)

De C4AK DC link condensatoren zijn gemaakt voor gebruik in hoogfrequente vermogensomvormers voor elektrische auto's, omvormers voor zonnepanelen en brandstofcellen, energieopslagsystemen, draadloze vermogensoverdracht en andere industriële toepassingen.

MLCC's voor snelle WBG halfgeleiders

Bij het gebruik van WBG's kan de (flexibel te monteren) CeraLink FA familie van TDK Corporation een geschikte oplossing zijn. Deze familie omvat capaciteiten van 0,25 tot 10 µF en nominale spanningen tussen 500 en 900 volt gelijkspanning. De B58035U9255M001 heeft bijvoorbeeld een capaciteit van 2,5 µF en is geschikt voor 900 volt (Afbeelding 4). De verschillende componenten in de CeraLink familie zijn geoptimaliseerd voor gebruik als DC link condensatoren, met onder meer de volgende features:

• Capaciteitsdichtheid van 2 tot 5 µF per kubieke centimeter (cm³)
• Lage zelfinductie van 2,5 tot 4 nanohenry (nH)
• De mogelijkheid uiterst dicht bij de vermogenshalfgeleider te worden geplaatst waarbij temperaturen tot 150 °C zijn toegestaan (gedurende beperkte tijd)
• Geen beperking aan de slew rate (dV/dt)

Afbeelding 4: De B58035U9255M001 maakt deel uit van de TDK Corporation CeraLink FA familie en is een MLCC stack van 2,5 µF die geschikt is voor 900 volt. (Bron afbeelding: TDK Electronics)

De FA familie condensatoren zijn 9,1 millimeter (mm) breed bij 7,4 mm hoog en zijn in lengtes van 6,3, 9,3 en 30,3 mm leverbaar. Ze zijn ontworpen voor rimpelstromen met een RMS-waarde tot 47 ampère (A).

Conclusie

Het specificeren van een DC link condensator is een belangrijk onderdeel van het ontwerpen van vermogensomvormers. Zoals we hebben laten zien, kan er uit een groot aantal opties worden gekozen, met steeds nieuwe mogelijkheden. Als u een slechte keus maakt, dan kan het resultaat een vermogensomvormer zijn die niet aan de verwachtingen of te duur is. U moet van de laatste ontwikkelingen in DC link condensator-technologieën en -producten op de hoogte blijven om te voorkomen dat u een verkeerde keuze maakt.