Конденсаторы Electronicon для силовой электроники

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;
• R_DA, С_DA — диэлектрическая абсорбция (память), эквивалентное активное сопротивление, обусловленное потерями в изолирующем 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 δ. Угол δ называется углом диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определенной частоты (1).

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

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

• R_ES — 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 уровень пульсаций можно пренебречь. Величина R_ES зависит от метода металлизации обкладок, конструкции выводов и рабочей частоты. Параметры R_ES и R_DA ограничивают значение максимально допустимой реактивной мощности конденсатора на конкретной частоте. Наличие R_ES 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 R_ES обладают слюдяные и пленочные конденсаторы. Компании Electronicon удалось снизить эквивалентное последовательное сопротивление некоторых конденсаторов до значения 0,25 мОм.

• R_L — параллельное сопротивление (сопротивление утечки конденсатора). R_L обусловлено наличием тока утечки I_L и определяется отношением напряжения U, приложенного к конденсатору, к значению этого тока:

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

• L_ES — 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 L_ES. Влиянием R_ES можно пренебречь, так как в практических схемах, как правило, имеет место соотношение:

где ƒ_m — 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 L_ES. В этом случае кратковременные изменения напряжения на конденсаторе будут больше зависеть не от протекающего тока, а от скорости его изменения во времени:

Величина L_ES 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).

Рассмотрим влияние паразитной индуктивности на уровень пульсаций выходного напряжения.

Пусть ток изменяется по закону, близкому к гармоническому, с частотой ƒ:

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

Величина Ú_П на конденсаторе прямо пропорциональна рабочей частоте ƒ и паразитной индуктивности L_ES .

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 TЬV.

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 E5х, 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 E51 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 способность работать при токах высоких пульсаций при низком значении емкости. Наиболее часто серия Е52 используется для демпфирования в схемах с GTO-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 GTO-тиристорами и в низкоиндуктивных разделительных схемах с высоким среднеквадратическим значением тока. Также эту серию отличает способность самовосстанавливаться 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 PUR-смолы 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 может 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 вшироком 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 °C. Тангенс угла потерь tgδ = 2×10^–4. Неповторяющийся ток перегрузки I_S : 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:

Серия Е61. DC-конденсаторы для прямого PCB-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 AC/DC-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 U₂ (на рис.), то есть:

• • Определим скорость нарастания напряжения по следующей формуле:

• • Пиковый ток О — допустимая амплитуда тока в повторяющемся режиме. Определяется по допустимой скорости нарастания напряжения dU/dt:

• • Номинальный ток:

Согласно IEC 1071, максимально допустимая рассеиваемая мощность определяется по формуле:

Для нашего примера:

• Рабочая температура окружающей среды

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

Для обеспечения жизненного цикла конденсатора ≥1×10⁵ часов температура самой нагретой точки не должна превышать 70 °C. Это значит, что максимальная температура окружающей среды не должна быть больше

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, 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 поликристаллических конденсаторов могут иметь диэлектрическую 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.