Ne hagyja, hogy a simítókondenzátor legyen a gyenge láncszem az áramátalakítóban

A simítókondenzátorok kritikus alkatrészek számos alkalmazási területen, beleértve a villanygépjárművek villanymotorjainak vezérlőegységéhez szükséges háromfázisú invertereket, a fotoelektromos és szélenergia-invertereket, az ipari villanymotorok vezérlőegységeit, a gépkocsik fedélzeti töltőit, valamint az egészségügyi és ipari berendezések tápegységeit. Fontos lépést tartani a legújabb fejlesztésekkel. Ha nem jól van megtervezve az áramkör, a simítókondenzátor lehet az a „gyenge láncszem”, amely csökkenti az energiasűrűséget és a megbízhatóságot.

A tervezők szemszögéből sajnálatos, hogy a félvezetőtechnikától eltérően, amely öles léptekkel halad a fejlődés útján, a kondenzátortechnika fejlődése lassú és átláthatatlan. Hogy még egy fokkal nehezebb legyen, a különféle kondenzátorfajták eltérő sebességgel fejlődnek: az alumínium elektrolitkondenzátorok technikája mára kiforrottabb és lassabban fejlődik, míg a rétegkondenzátorok és a többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC) fejlődése jóval gyorsabb. Az alumínium elektrolitkondenzátorok a rétegkondenzátorokkal és többrétegű kerámiakondenzátorokkal összehasonlítva térfogategységenként jellemzően nagyobb kapacitást és energiasűrűséget kínálnak, de a kompromisszumok még nincsenek tisztázva.

A nagyobb frekvenciájú eszközök teljesítménykapcsolóinak továbbfejlesztése – például a szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT-k) MOSFET-ekkel való kiváltása vagy a szilíciumeszközök széles tiltott sávú (WBG) teljesítménykapcsolókra cserélése – remek alkalom lehet arra, hogy újragondoljuk a simítókondenzátorokkal kapcsolatos múltbeli választásokat. A simítókondenzátorok mindegyik fajtája a képességek egyedi tárházát kínálja (1. ábra).

1. ábra: A simítókondenzátorok főbb fajtáinak összehasonlítása a kapacitás-feszültség függvény alapján. A TDK cég CeraLink kondenzátorai simítókondenzátorként való alkalmazásra optimalizált többrétegű kerámiakondenzátorok. (Kép: TDK Corporation.)

Az alumínium elektrolitkondenzátorok, leggyakoribb nevükön simán csak elektrolitkondenzátorok (vagy ritkábban alumíniumkondenzátorok) a legelterjedtebb simítókondenzátorok. Nagy energiasűrűséget kínálnak alacsony árfekvés mellett. Gyakran használják őket ipari villanymotorok vezérlőegységében, szünetmentes tápegységekben (UPS) és sokféle háztartási, kereskedelmi forgalomban kapható és ipari berendezésben. Viszonylag rövid élettartamuk és kisfrekvenciás működésük azonban kizárja őket a nagyobb igénybevétellel járó felhasználási területekről.

A rétegkondenzátorokat gyakran lehet megtalálni simítókondenzátorként a nagyobb igénybevétellel járó felhasználási területeken, például a villanygépjárművek hajtómotorjának vezérlőegységében. A rétegkondenzátorok megbízhatóbbak, mint az elektrolitkondenzátorok, nagyobb az áramvezető képességük, kisebb az egyenértékű soros ellenállásuk (ESR), és azokhoz képest nagyobb frekvenciákon használhatóak. Viszont akárcsak azokat, a rétegkondenzátorokat is viszonylag alacsony hőmérsékleten, nagyjából 105 °C-ig lehet használni.

A harmadik lehetőséget a többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC) jelentik. Ezeknek a kondenzátoroknak nagyobb a névleges effektív (rms) áramerősségük, mint a többi kondenzátornak, és azoknál nagyobb hőmérsékletet is elviselnek. A hátulütőjük az, hogy adott energiasűrűség eléréséhez viszonylag nagyszámú többrétegű kerámiakondenzátorra van szükség, ezért nagy problémát jelenthet az olyan kondenzátorelrendezés kialakítása, amely egyenletes áramelosztást biztosít. Ezenkívül a többrétegű kerámiakondenzátorokkal lehetnek megbízhatósági gondok is. A kerámia szigetelőanyag rideg, és ütés vagy hőterhelés hatására elrepedhet, így pedig rövidzár keletkezhet a kapocspontok között.

Nyilvánvaló tehát, hogy nincs egyetlen tökéletes kondenzátorfajta minden alkalmazási területre, ahol simítókondenzátorokat használnak. Egy adott feladathoz úgy találhatja meg a legjobb megoldást, ha áttekinti a legújabb műszaki fejlesztési irányvonalakat és termékfejlesztéseket. Szóval tanácsos megfontolni, milyen kompromisszumokat érdemes kötni, és átgondolni az egyes kondenzátorfajták képességeit, egyaránt beleértve a Cornell Dubilier Electronics alumínium elektrolitkondenzátorait, a KEMET rétegkondenzátorait és a TDK Corporation többrétegű kerámiakondenzátorait.

Elektrolitkondenzátorok nagy búgóáramú áramkörökhöz

A nagy búgóáramú áramkörökhöz használhatja a Cornell Dubilier Electronics cég 381LR sorozatát, amelyek névleges feszültsége 200 V-tól 450 V egyenfeszültségig, kapacitása 56 µF-tól 2200 µF-ig terjed, és legalább 25%-kal nagyobb búgóáram kezelésére képesek, mint a normál 105 °C határhőmérsékletű benyomható elektrolitkondenzátorok (2. ábra). Az elektrolit összetételének jelenlegi fejlesztései kulcsfontosságúak a kis egyenértékű soros ellenállás (ESR) eléréséhez, amely ezen kondenzátorok jó búgóáram-kezelési képességét adja. Ez annyit tesz, hogy kevesebb kondenzátorra van szükség a villanymotorok vezérlőegységeiben, a szünetmentes tápegységekben (UPS) és más nagy búgóárammal járó felhasználási területeken.

2. ábra: A 381LR alumínium elektrolitkondenzátorok névleges feszültsége 200 V-tól 450 V egyenfeszültségig, kapacitása 56 µF-tól 2200 µF-ig terjed. (A kép forrása: Jeff Shepard, a Cornell Dubilier Electronics forrásanyaga alapján.)

Rétegkondenzátorok az autók hajtó villanymotorjainak vezérlőegységeibe

Ha zord környezetekbe tervez rendszereket, amilyenek az autók hajtó villanymotorjainak vezérlőegységei, jó választásnak bizonyulhatnak az egyenfeszültség simítására a KEMET cég C4AK rétegkondenzátorai 125 °C-on 4000 órás, 135 °C-on 1000 órás élettartamukkal (3. ábra). Ezek a kisméretű rendszerek kialakításához tervezett eszközök lekerekített téglatest alakúak és laposak a nyomtatott áramköri lapokba való beszerelés megkönnyítése érdekében, és lehetővé teszik, hogy a tervezők kevesebb kondenzátort használjanak párhuzamosan kötve a csúcs- és búgóáramok simítására.

3. ábra: A KEMET cég egyenfeszültség simítására szánt C4AK rétegkondenzátor-sorozatát 125 °C-on 4000 órás, 135 °C-on 1000 órás élettartam jellemzi. (Kép: KEMET.)

A C4AK simítókondenzátorokat nagyfrekvenciás, nagy áramú villanygépjármű-rendszerek áramátalakítóiba, fotoelektromos és üzemanyagcella-inverterekbe, energiatároló rendszerekbe, vezeték nélküli energiaátviteli rendszerekbe és más ipari alkalmazásokba szánták.

Többrétegű kerámiakondenzátorok gyors széles tiltott sávú (WBG) félvezetőkhöz

Ha széles tiltott sávú (WBG) eszközöket használ, a TDK Corporation CeraLink FA (rugalmasan szerelhető) termékcsaládja jelentheti a megfelelő megoldást. A termékcsalád 0,25 µF és 10 µF közötti kapacitást kínál 500 V és 900 V közötti névleges egyenfeszültség mellett. A B58035U9255M001 jelű kondenzátor kapacitása például 2,5 µF, névleges feszültsége 900 V (4. ábra). A CeraLink termékcsaládba tartozó különféle alkatrészek simítókondenzátorként való használatra vannak optimalizálva, az alábbi jellemzőkkel:

• Kapacitássűrűség: 2–5 µF/cm³
• Alacsony öninduktivitás: 2,5–4 nH
• Nagyon közel lehet helyezni őket a nagy teljesítményű félvezetős eszközökhöz, és 150 °C-on is képesek működni (korlátozott ideig)
• Nincs korlátozva a feszültségváltozási sebesség (dV/dt)

4. ábra: A B58035U9255M001 a TDK Corporation CeraLink FA termékcsaládjának tagja, egy 2,5 µF kapacitású, 900 V feszültségű többrétegű kerámiakondenzátor (MLCC). (Kép: TDK Corporation.)

Az FA termékcsalád tagjai 9,1 mm szélesek, 7,4 mm magasak és 6,3, 9,3, valamint 30,3 mm hosszban kaphatóak. 47 A effektív (rms) értékű búgóáram simítására képesek.

Összegzés

Az áramátalakítók tervezésének lényeges része a simítókondenzátor meghatározása. Amint bemutattuk, a választható lehetőségek köre széles, és folyamatosan változik is. Ha rosszul választunk, annak eredménye lehet az, hogy az áramátalakító nem felel meg az elvárásoknak, vagy túl drága lesz. A rossz választás elkerülése érdekében naprakésznek kell lennie a tekintetben, hogy melyek a legújabb fejlesztések a simítókondenzátor-fajták és termékek területén.