аа

Силовая электроника №4'2006

Силовые конденсаторы шины питания мощных преобразователей частоты

Сергей Шишкин


Совершенствование полупроводниковых ключевых элементов силовых преобразователей частоты (ПЧ) позволяет производить их переключение на все более высоких частотах и рабочих напряжениях, увеличивая таким образом энергетическую эффективность и снижая (при условии паритета передаваемой мощности) массо-габаритные размеры ПЧ. Одновременно повышение тактовой частоты в сочетании с высокой крутизной наносекундных фронтов импульсов ШИМ приводит к значительным переходным перенапряжениям, предъявляющим соответствующие требования к конструктивному построению преобразователя, в частности, к выбору типа силовых конденсаторов DC-шины [1] — связующего звена между выпрямителем и инвертором ПЧ, во многом определяющего эксплуатационную надежность его силовой части.


Для силовых конденсаторов DC-шины питания ПЧ предпочтительно, чтобы допустимый ток пульсации (IR — rated ripple current), с учетом температурной и частотной коррекции, был как можно выше, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR — equivalent series resistance) и собственная индуктивность (ESL — capacitor self-inductance) как можно ниже. Традиционно в звеньях фильтрации постоянного тока ПЧ на базе IGBT силовых транзисторов широко используются алюминиевые электролитические силовые конденсаторы (ЭК) повышенной мощности. Как известно, данные электролитические силовые конденсаторы (рис. 1) состоят из разделенных слоем диэлектрика двух электропроводящих слоев алюминиевой фольги — анода и катода, причем одна из сторон фольги протравливается для получения шероховатостей (анодное оксидирование), увеличивающих площадь поверхности (удельную емкость силового конденсатора). Роль диэлектрика выполняет образовавшийся в результате электрохимической реакции на фольге анода (первой обкладке) слой оксида алюминия (Al2O3), толщина которого должна быть адекватна номинальному напряжению ЭК (порядка 1,2 нм/В [2]). Контактная поверхность катода используется для передачи электрического заряда к электролиту (второй обкладке ЭК), заполняющему пространство между анодом и катодом (рис. 1). Требуемая диэлектрическая прочность системы «катод-электролит-анод» (≈8 МВ/см) обеспечивается с помощью пористой бумажной прокладки, которая помимо задачи сохранения электролита физически разделяет анод и катод. Отметим, что технологические модернизации силовых ЭК ведущих производителей в первую очередь касаются процесса намотки обкладок, гомогенности алюминиевой фольги, совершенствования процесса травления (повышения стойкости слоя оксида), состава электролита (сохранении стабильности параметров при резких скачках температуры), материалов герметизации корпуса, фактуры и повышения электрической прочности бумаги. Однако даже этого бывает недостаточно для обеспечения длительного срока службы ЭК в сглаживающим звене ПЧ, характеризующемся значительными пульсациями тока перезаряда — I≈, поскольку допустимый импульсный ток силового конденсатора обратно пропорционален его ESR. Старение электролитических силовых конденсаторов обусловлено различными химическими (например, естественной деградацией оксида алюминия) и физическими (например, диффузией паров электролита через элементы уплотнения) причинами. В случае превышения допустимой температуры (табл. 1), интенсивность старения (сокращения срока службы ЭК) резко возрастает [2, 3], поскольку электролит, за счет выделения растворенного газа, образующегося при гидролизе, выдавливается из пространства между скрученными электродами. В результате увеличивается ESR, что стимулирует еще больший нагрев ЭК, превышение предельно допустимой температуры внутри корпуса, рост парциального давления электролита, приводящий к его выбросу через предохранительный клапан или механическому повреждению уплотнения. Температура в наиболее горячей точке (hot spot) — Тмакс, обычно находящейся в геометрическом центре ЭК [1], определяется внутренними потерями — Рвнутр. = I2xESR, тепловым сопротивлением— _Rt (К/Вт) и температурой окружающей среды — Тamb:

Тмакс. = ( I2xESR) xRt + Тamb. (1)

Рис. 1. Поперечное сечение обкладок алюминиевого электролитического конденсатора
Рис. 1. Поперечное сечение обкладок алюминиевого электролитического конденсатора
Таблица 1. Основные технические параметры алюминиевых электролитических конденсаторов повышенной мощности [2, 3]
Таблица 1. Основные технические параметры алюминиевых электролитических силовых конденсаторов повышенной мощности [2, 3]

В рабочем диапазоне Тмакс (1) является линейной функцией внутренних потерь ЭК, так как небольшими дополнительными потерями, создаваемыми током утечки — IL (табл. 1), можно пренебречь [1]. Таким образом, тепловое сопротивление «наиболее горячая точка — окружающая среда», наряду с величиной ESR, зависящей от Сн (табл. 1), tgδ— значения угла диэлектрических потерь на частоте пульсации выпрямленного тока I≈, во многом определяет температурный режим ЭК [2].

Выделяемое тепло отводится во внешнюю среду тремя путями: через выводы, стенки корпуса и основание электролитического силового конденсатора (рис. 2). Особенность конструкции активной части ЭК повышенной мощности — наличие воздушного промежутка (толщиной до нескольких миллиметров) по всей высоте активной части (рис. 2) — допускает лишь конвективный теплообмен обкладок с цилиндрической стенкой корпуса в радиальном направлении, а выступ фольги катода за нижний край рулона [2] обеспечивает преимущественно продольный (80-85% от суммарного баланса) вынос тепла к основанию посредством теплопередачи. Поэтому улучшение теплового контакта в области основания корпуса ЭК повышенной мощности играет чрезвычайно важную роль. Торцевое крепление наружного изоляционного рукава корпуса, заходящее на днище ЭК, создает воздушный зазор, представляющий значительное тепловое сопротивление для теплообмена с поверхностью монтажа (воздушный зазор 0,2 мм имеет тепловое сопротивление ≈1,4 К/Вт). Установка, крепящихся хомутами электролитический силовой конденсатор в корпусе диаметром > 64,3 мм на две теплопроводящие прокладки, одна из которых заполняет воздушный зазор, а другая, изолирующая, перекрывает все днище силового конденсатора, обеспечивает требуемую (до 2,5 кВ) электрическую прочность соединения [2]. В результате тепловое сопротивление (К/Вт) между основанием корпуса и охлаждаемым радиатором (рис. 2) снижается на 84-87%, позволяя увеличить импульсную токовую нагрузку ЭК и степень заполнения объема вентилируемого блока (рис. 3) сглаживающего звена ПЧ. Соотношение разности температур корпуса ЭК и окружающей среды при естественной — δТи принудительной δТ* вентиляции приведены в таблице 2. В среднем, Hitachi AIC при скорости потока воздуха ≥1,0 м/с допускает увеличение I≈ на 10% [3], а Epcos AG приводит максимальные значения — I≈max для каждой серии электролитических силовых конденсаторов повышенной мощности, соразмерные диаметру корпуса [2].

Таблица 2. Типичные соотношения температур принудительно вентилируемого корпуса ЭК повышенной мощности и окружающей среды [2]
Таблица 2. Типичные соотношения температур принудительно вентилируемого корпуса ЭК повышенной мощности и окружающей среды [2]
Рис. 2. Эквивалентная тепловая схема ЭК повышенной мощности с винтовыми выводами
Рис. 2. Эквивалентная тепловая схема электролитического силового конденсатора повышенной мощности с винтовыми выводами
Рис. 3. Внешний вид конструкции блока ЭК трехфазного IGBT$инвертора единичного модуля SEMIKUBE (выходная мощность до 900 кВт) компании SEMIKRON
Рис. 3. Внешний вид конструкции блока ЭК трехфазного IGBT инвертора единичного модуля SEMIKUBE (выходная мощность до 900 кВт) компании SEMIKRON

Температурное ограничение (1), накладываемое IR, вынуждает параллельно подключать на DC-шины ПЧ несколько ЭК. Причем итоговое увеличение емкости сглаживающего звена ЭК определяется именно данным условием, а не обеспечением требуемого коэффициента пульсаций, характеризующего степень выпрямления напряжения питания ПЧ. С другой стороны, недостаточно высокое (сравнительно с рабочим напряжением DC-шины силовых преобразователей) номинальное напряжение Uн (табл. 1) современных ЭК (не превышающее у серийно выпускаемых изделий 500-550 В [2, 3]) заставляет прибегать к их последовательному соединению, особенностью которого является необходимость установки специальных балластных резисторов с короткими ленточными выводами под винт (табл. 3) для выравнивания перекоса напряжений из-за разницы IL отдельных силовых конденсаторов. Сопротивление балластного резистора R (табл. 3) можно рассчитать по формуле, выведенной на основании соотношения для IL [1]

R = 1000/(0,015xCн),

где Cн — номинальная емкость электролитического силового конденсатора (мкФ). Протекающий через балластный резистор уравнивающий ток должен превышать зависящий от условий эксплуатации IL (табл. 1) в 10-20 раз, вследствие чего на балластных резисторах рассеивается значительная мощность [1], а энергетический КПД сглаживающего звена ПЧ существенно снижается.

Таблица 3. Технические параметры балластных резисторов производства Hitachi AIC [3]
Таблица 3. Технические параметры балластных резисторов производства Hitachi AIC [3]

Схемотехника мощных высоковольтных ПЧ предусматривает размещение последовательно-параллельно соединенных ЭК на DC-шине (например, разработанные SEMIKRON DC-шины SKCB, где в различных конфигурациях число силовых конденсаторов емкостью 2200-4700 мкФ варьируется от 48 до 72 [4]). Подобная комбинированная схема сглаживающего звена, за счет индуктивности соединительных проводов, увеличит паразитную индуктивность DC-шины Lш, что повысит коммутационные перенапряжения (du/dt), одновременно индуцируемые на переход «эмиттер-коллектор» закрывающегося транзистора IGBT силового модуля и блок ЭК [4]. Учитывая небольшую диэлектрическую прочность тонкого слоя оксида алюминия и разброс номиналов емкостей, это может привести к внутреннему короткому замыканию ЭК. Сокращение в суммарной величине Lш составляющей блока ЭК производится двумя путями:

  • топологией соединения с DC-шиной проводников сглаживающего звена;
  • снижением собственной индуктивности (self-inductance) Lc силовых конденсаторов (табл. 1). Концепция дизайна низко индуктивной многослойной DC-шины, предлагаемая компанией SEMIKRON (рис. 4), предусматривает:
  • индивидуальное подключение групп силовых конденсаторов к IGBT силовым модулям инвертора ПЧ;
  • предельное уменьшение площади токовой петли, паразитная индуктивность которой оценивается в пропорции 1 см2 = 10 нГн;
  • монтаж проводников подключения групп параллельно-последовательно соединенных конденсаторов сглаживающего звена по траектории протекания основного тока DC-шины, без петель и с наименьшим количеством пересечений.
Рис. 4. Варианты исполнения DC-шины двух параллельно-последовательно соединенных ЭК силовых IGBT-модулей — стандартное (а) и низко индуктивное (б) решение
Рис. 4. Варианты исполнения DC-шины двух параллельно-последовательно соединенных ЭК силовых IGBT силовых модулей — стандартное (а) и низко индуктивное (б) решение

Благодаря модернизации формы выводов активной части электролитического силового конденсатора [5] — специального изгиба, сократившего промежуток «обкладка-корпус» и расстояние между выводами при одновременном уменьшении (на 4 мм) длины резьбы винтовых зажимов, компании Epcos AG удалось в 1,3-1,5 раза (до 10 нГн) снизить величину Lc и импеданс Z (табл.1), равный [2]

(2)

где ω — угловая частота цепи включения силового конденсатора. Равнозначно изменению Z (2) меняется и резонансная (serial resonance) частота конденсатора— .

Совершенствование технических характеристик металлопленочных силовых конденсаторов на основе структурированного неполярного диэлектрика — полипропилена, применяемых в цепях фильтрации выпрямленного тока (DC-конденсаторов), открыла возможность разработки компактных сглаживающих звеньев для стремительно развивающегося рынка мощных высоковольтных ПЧ [1]. В частности, удельная энергоемкость (запасаемая энергия) металлопленочных силовых конденсаторов увеличилась в 2-3 раза, достигнув уровня порядка 1000 Дж/дм3 для силовых конденсаторов с малой наработкой и 200 Дж/дм3 для конденсаторов с наработкой в десятки тысяч часов. Во многом это обусловлено совершенствованием технологии формирования слоя металлизации электродов, включающего:

  • неравномерное распределение толщины, позволяющее повысить допустимую токовую нагрузку за счет смещения наиболее нагретой точки (hot spot) из центральной в периферийную область активной части силового конденсатора;
  • сегментацию поверхности, снижающую риск возникновения невосстанавливаемого пробоя, ведущего к короткому замыканию обкладок [4];
  • усиление торцевого (преимущественно цинкового) контактного слоя напыления выводов секции (шоопирование), повышающее устойчивость к пульсациям тока и минимизирующее краевой эффект (pinch effect) — концентрацию (самостягивание) заряда, вызванную искривлением электромагнитного поля на краях электродов.

По сравнению с ЭК (табл. 1) сглаживающие DC-конденсаторы имеют пониженные значения ESR и ESL, следовательно, способны работать без ухудшения характеристик инвертора при гораздо больших диапазонах IR, с меньшим значением Сн, высокой постоянной времени саморазряда (табл. 4) и малой абсорбцией заряда. Кроме того, уровень их единичной величины Uн и Сн (табл. 4) позволяет предельно сократить количество соединений и габариты блока силовых конденсаторов DC-шины [1]. По аналогии с ЭК (1), значение Тмакс будет пропорционально Рвнутр (сумме потерь в слое металлизации и диэлектрике), определяемой по формуле [8]

(3)

где u — пиковое значение напряжения на частоте пульсации f0, приложенного к силовому конденсатору напряжения. Характер изменения Тмакс для DC-конденсатора в прямоугольном стальном корпусе [8] приведен на рис. 5. Смещение наиболее нагретой точки с геометрической оси (точка 1) в точку 2 (рис. 5) — ближе к выводам активной части — позволит увеличить температурный градиент — δTсар., повысив тем самым термическую устойчивость силового конденсатора.

Таблица 4. Основные технические параметры металлопленочных DC-конденсаторов (стандарты IEC 1071, EN 61071, VDE 0560$120/121 [6, 7])
Таблица 4. Основные технические параметры металлопленочных DC-конденсаторов (стандарты IEC 1071, EN 61071, VDE 0560$120/121 [6, 7])
Рис. 5. Вид температурной кривой вертикально расположенного прямоугольного МКК
Рис. 5. Вид температурной кривой вертикально расположенного прямоугольного МКК

DC-конденсатора серии В25650. δTcap — температурный градиент наиболее нагретой точки; δTW — отклонение температуры между внутренними сторонами волновой кромки противоположных усиленных краев секции; δTS — разность температур внутренней и внешней стороны волновой кромки; δTCS — изменение температуры корпуса относительно окружающей среды; Тhs — температура наиболее нагретой точки; ТA — температура окружающей среды; ТС — температура стенки корпуса

Температурный профиль δТ поперечного слоя металлизации при равномерной и неравномерной толщине напыления [4] рассчитывается по выражению:

δ2Т=- Q/k, (4)

где Q — тепловыделение активной части силового конденсатора (Вт/с), пропорциональное омическим потерям в слое металлизации и узлах соединения обмоток; k— теплопроводность выводов. Если на некотором промежутке времени принять Q = const, распределение экстремумов температуры — производной dT/dx (4) — будет соответствовать конфигурации слоя напыления металлизации МКК DC-конденсатора [8].

Многослойная пакетная или рулонная укладка пленки предусматривает разбивку одной из поверхностей металлизации электродов МКК DC-конденсатора на отдельные равномерные (≈1 см2) сегменты, соединенные между собой токовыми коридорами. Функционально это эквивалентно матрице плавких вставок параллельных пакетов набора секций высоковольтных силовых конденсаторов, наиболее эффективно локализующих место пробоя в силовых конденсаторах большой единичной мощности при процессе самовосстановления [4].

Высоковольтные DC-конденсаторы силовых шин питания ПЧ (табл. 4) выполняются по МКР-технологии: односторонне металлизированной ленты полипропиленовой пленки — PHD (high temperature polypropylene), вторая сторона которой выполняет функцию диэлектрической обкладки, укладываемой в спирально намотанные секции пакета (рис. 6) с небольшим равномерным смещением витков, и последующего заполнения объема корпуса инертным газом, органическим маслом или нетоксичным — не содержащим подлежащего обязательной утилизации полихлорированно-го бифенила РСВ (PolyChlorinated Biphenyls) компаундом. Применяемая Epcos AG технология МКК (Metallized Kunststoff Kompakt — разновидность технологии МКР [4]) — предусматривает, помимо усиления слоя металлизации на торцах обмоток секций, расширение площади контактной поверхности выводов силового конденсатора за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки (рис. 7).

Рис. 6. Конструкция МКК DC-конденсатора серии В25650
Рис. 6. Конструкция МКК DC-конденсатора серии В25650. 1 — клапан предельного давления; 2 — контактный датчик давления; 3 — размыкатель выводов, срабатывающий при превышении избыточного давления внутри корпуса; 4 — проходной пластиковый изолятор вывода; 5 — изолирующий кожух; 6 — продольный срез плоских обмоток секций набора пакета; 7 — шина соединения электродов обмоток секций с выводами конденсатора; 8 — прямоугольный стальной корпус
Рис. 7. Исполнение контактной зоны ввода пакета секции МКК-конденсатора
Рис. 7. Исполнение контактной зоны ввода пакета секции МКК-конденсатора. 1 — упроченное напыление торца обмотки секции; 2 — свободная от металлизации часть пленки кромки волнового среза; 3 — сплошной слой металлизации обкладки с ровным срезом края; 4 — расширенная контактная поверхность ввода; 5 — наименьшая толщина контактной зоны; 6 — вид контактной зоны усиленного края металлизации обкладок без волнового среза (технология МКР)

Для сглаживания пульсаций цепи постоянного тока IGBT инверторов выпускают пленочные DC-конденсаторы, как традиционного исполнения (табл. 4), так и специальных серий, например РСС HP (Power Capacitor Compact High Power), с компактной плоской намоткой катушек, интегрируемые непосредственно в пределы геометрических размеров конкретных IGBT силовых модулей ПЧ ведущих фирм-производителей [4].

Одной из основных проблем применения высоковольтных сильноточных IGBT силовых модулей является обеспечение мягкого управляемого переключения, поскольку совокупность высокого напряжения (кВ), большого тока (тысячи А) и паразитных индуктивностей рассеяния приводит к перенапряжению и увеличению вероятности возникновения колебательных процессов при переключении. Поэтому, в связи с прослеживающейся тенденцией роста номинальной мощности (десятки МВт) и перехода ПЧ в кВ диапазон напряжений, требования к силовым конденсаторам звена постоянного тока непрерывно ужесточается.

Литература

  1. Колпаков А. И. Расчет конденсаторов шины питания мощных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии. 2004. № 2.
  2. Aluminum Electrolytic Capacitors. Published by Epcos AG. Ordering No. EPC: 27009-7600. Germany. 2002.
  3. Hitachi AIC. Compact Aluminum Electrolytic Capacitors. Edition 2005.
  4. Шишкин С. А. Силовые конденсаторы Epcos AG для IGBT инверторов мощных преобразователей систем электроснабжения // Силовая электроника. 2005. № 3.
  5. Inductance halved, costs cut // Epcos components. 2004. № 4.
  6. Power Capacitors. Published by Siemens Matsushita Components GmbH &Co. Ordering No B426-P2612-X-X-7600. Printed in Germany. 1999.
  7. Capacitors for Power Eelectronics // http:electronicon.com
  8. Vetter H. Link circuit design with dry MKK capacitors // Siemens Components. 1997. № 5.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_04_4.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо