Компактные решения, основанные на технологии PCC, для современных гибридных автомобилей

Конденсатор звена постоянного тока — это один из ключевых компонентов современных силовых электроприводов. Часто конденсатор представляется неким «черным ящиком», и автор пытается помочь разработчикам силовой электронной техники сделать правильный выбор из всего многообразия представленных на рынке силовых конденсаторов. В этой статье рассмотрен ряд тем:

• конструкция силовых конденсаторов;
• возможные варианты их исполнения;
• полимерные материалы, на основе которых изготавливаются современные конденсаторы, а также их влияние на срок службы, допустимую рабочую температуру, размеры и надежность.

Автор выбрал характерную область применения современных конденсаторов — приводы для гибридных автомобилей, так как именно здесь предъявляются повышенные требования к качеству и параметрам используемых компонентов.

Применение новых разработок, таких как технология PCC (Power Capacitor Chip), позволяет создать компактные системные решения. Эта новейшая технология была в первую очередь разработана для изготовления силовых конденсаторов звена постоянного тока, одного из ключевых компонентов преобразователя для гибридных автомобилей. В статье рассмотрены преимущества концепции PCC, основные стадии процесса проектирования и изготовления, а также основы разработки и примеры конкретных конденсаторов. Наиболее важные параметры для преобразователя гибридного автомобиля — это высокая частота переключения и рабочий ток. Это, в свою очередь, привело к увеличению потребности в PCC-конденсаторах в тех областях, где ранее использовались электролитические конденсаторы. Во втором поколении гибридных автомобилей впервые был применен встроенный в электродвигатель компактный PCC-конденсатор в форме обода с интегрированной шиной и Y-конденсатором.

Ключевые понятия

Привод для гибридного автомобиля, конденсатор звена постоянного тока, легко встраиваемый PCC-конденсатор, коэффициент заполнения, сверхнизкая индуктивность, примеры конструкций с использованием PCC-конденсаторов.

Современные силовые PCC-конденсаторы устанавливают новые стандарты для конденсаторов звена постоянного тока гибридных приводов. Требования для данного применения значительно выше, чем в областях традиционных промышленных нагрузок. Поэтому большинство стандартных силовых конденсаторов не могут успешно применяться в данной области, так как индуктивность электрической цепи должна быть очень низкой (от 10 до 30 нГн), с тем, чтобы минимизировать переходные процессы. Помимо этого необходимо обеспечить высокую нагрузочную способность по току (до 250 A_rms/мФ), а устойчивость к импульсным токам I_s должна быть как минимум вдвое выше, чем в традиционных промышленных применениях. Происходит постепенный переход от использования алюминиевых электролитических конденсаторов к самовосстанавливающимся пленочным PCC-конденсаторам [1].

Если на этапе разработки, в зависимости от назначения и сложности конструкции, учесть возможность применения PCC-конденсаторов оптимальной формы и размеров, то это позволит сократить вес и объем проектируемого электрооборудования и снизить стоимость его производства.

PCC-конденсаторы обеспечивают превосходное исполнение, современную, компактную и экономичную конструкцию преобразователя, а также надежную работу в различных климатических условиях.

Теоретические аспекты

Емкость C и объем V конденсатора зависят от следующих параметров:

где C — емкость, Ф; ε — диэлектрическая постоянная (ε/r определяется типом диэлектрика) [As/Vm], A — площадь обкладок конденсатора, м²; d — расстояние между обкладками (толщина пленки), м.

где V — физический объем конденсатора м³.

Используя равенства (1) и (2), получаем следующую зависимость:

То есть, для того чтобы минимизировать физический объем конденсатора V_C, диэлектрик должен обладать:

• малой толщиной;
• высоким значением электрической постоянной.

Чтобы обеспечить компактный конструктив преобразователя, конденсатор должен иметь:

• высокий коэффициент заполнения (V_физ/V_электр ≥ 1);
• высокую степень интеграции (тип PCC).

На графиках (рис. 1) показан расчетный объем конденсатора C = 1mF, выполненный с использованием различных диэлектриков.

Толщина пленки определяется исходя из диэлектрической прочности диэлектрика:

где U — требуемое напряжение, В; E — диэлектрическая прочность, В/м.

Равенства (3) и (4) четко показывают зависимость физического объема конденсатора V_C от номинального напряжения и диэлектрической прочности пленки:

Равенство (5) демонстрирует основное правило определения объема конденсатора V_C: конденсатор тем компактнее, чем меньше расчетное или номинальное напряжение. Однако этот эффект не будет рассматриваться в рамках данной статьи, так как номинальное напряжение V_R для автомобильного применения — величина почти всегда фиксированная. На рис. 2 показано влияние напряженности электрического поля E на объем конденсатора V_C при фиксированном номинальном напряжении V_R. В процессе минимизации объема V_C важно принимать во внимание уровень допустимой напряженности электрического поля E_R для различных типов диэлектрика. Выбор диэлектрика, основанный только на высоком значении диэлектрической постоянной ε_r, не является оптимальным решением.

На графиках (рис. 3) видны различия в объеме конденсатора V_C, если толщину диэлектрика рассчитать в соответствии с уравнением (5), основываясь на допустимой напряженности электрического поля ER. Понятно, что PP — наиболее эффективный диэлектрический материал. К сожалению, этот результат не является окончательным, так как РР имеет некоторые ограничения в сравнении с другими типами диэлектриков.

Выбор диэлектрика

PP (Polypropylene) — полипропилен.

Этот диэлектрик, особенно высокотемпературный его вариант, благодаря превосходным электрическим свойствам, таким как напряжение пробоя, изоляционное сопротивление и самовосстановление, является весьма конкурентоспособным материалом среди других распространенных диэлектриков широкой области применения [2].

Рис. 3 дает отчетливое представление о размерах VC конденсаторов звена постоянного тока для применения в двигателях гибридных автомобилей.

PP — это полукристаллический материал, состоящий из гранул и аморфной массы. Для оптимизации структуры используют ультрачистый, модифицированный, с применением катализатора гомополимер со специальным молекулярно-массовым распределением (MWD), что позволяет существенно улучшить значение пробивного напряжения (BDV) в широком температурном диапазоне [3]. В будущем возможно достижение предельного значения BDV = 700 VDC/?m при температуре 120 °C (рис. 4).

Динамика увеличения значения BDV в зависимости от температуры (один из ключевых параметров для минимизации размеров конденсатора V_C) показана на рис. 5. Фактически температурный предел увеличился с T_max = 120 °C в 1990-м до T_max = 125 °C в 2005 г. Новые лабораторные исследования показывают, что в будущем при оптимизации тепловых характеристик это значение увеличится до T_max = 135 °C при значении пробивного напряжения BDV = 670 В/мкм [4]. Линия, соответствующая 2010, является прогнозной оценкой, пока не доступной практически.

На рис. 6 проиллюстрирована тенденция снижения толщины пленки — следующий ключевой параметр для получения компактных размеров. Благодаря применению специального молекулярно-массового распределения (MWD) появляется возможность изготовить пленку из полимера толщиной менее 3 мкм. В процессе усовершенствования толщина пленки постепенно уменьшается и в будущем достигнет предела, как ожидается, 2 мкм.

Основываясь на вышеизложенном, можно сделать вывод о характеристиках РР в настоящее время и о перспективе развития этой технологии:

• BDV = 660 В/мкм при T = 125 °C; это значение пробивного напряжения, достигнутое в современных конденсаторах звена постоянного тока, удовлетворяет текущему уровню развития гибридных приводов.
• Прогнозное значение BDV = 670 В/мкм при T = 135 °C станет основой для нового поколения гибридных автомобильных приводов.
• Ожидаемое снижение толщины пленки — до 2 мкм [5], такая пленка найдет применение в будущих автоприводах.

Другие типы полимерных пленок

Несмотря на повышенную термоустойчивость, применение материала PPS (Polyphenylenesulphide — полифенилсульфид) не всегда оправданно из-за размеров и высокой стоимости, за исключением тех случаев, когда требуется обеспечить работу при температуре до T_max = 170 °C (например, в совмещенной конструкции гибридного привода 3-го поколения без системы вторичного жидкостного охлаждения). Этот дорогой диэлектрический материал конкурентоспособен по сравнению с керамическими конденсаторами, возможность применения которых в автоприводах обсуждается в последнее время.

PEN (Polyethylenenaphtalate — полиэтиленнафталат) — это диэлектрический материал с узким кругом применений, например, HID автолампы (разрядные лампы высокой интенсивности), в которых требуется рабочая температура до T_max = 150 °C. PEN обладает рядом технических преимуществ по сравнению с PET, и его стоимость ниже, чем у PPS [6].

PET (Polyethyleneterephthalate — полиэтилентерефталат) часто выбирается для работы при температуре окружающей среды до T_max = 135 °C [7]. PET в основном используется в установках с низким или средним номинальным напряжением. Один из примеров его применения — металлизированный 1–2 мкм PEN-конденсатор, интегрированный в стартер-генератор, работающий при номинальном напряжении V_R/ = 42 VDC. Разработка конденсатора для звена постоянного тока со средним уровнем напряжения V_R > 100 VDC и емкостью C_R > 100 мФ является куда более сложной задачей, чем разработка низковольтных маленьких конденсаторов, так как необходимо исключить перегрев блоков намоток (например, круглых или плоских MKT). Чтобы гарантировать достаточное значение сопротивления изоляции Rins и отсутствие эффекта гидролитической деградации диэлектрической системы, применяются особые методы проектирования и изготовления. Некоторые технические данные представлены в таблице 3.

Современная технология металлизации

При изготовлении конденсаторов PCC по технологии MKK применяют следующие инновационные технологии: Al- или ZnAl-металлизация, утолщенный край, одно- и двусторонняя, структурированная и неструктурированная металлизация, гладкий или ступенчатый профиль (CSP1) (рис. 7).

Современные технологии покрытия

• Акриловое покрытие металлизированной пленки в последнее время стало доступно в промышленном масштабе. Толщина акрилового покрытия составляет 0,1–0,3 мкм, что обеспечивает эффективную защиту диэлектрика от высокой температуры. В результате пробивное напряжение DC-BDV таких полимеров, как PPS, PEN и PET, увеличилось на 20–30%, при этом сохраняется способность к самовосстановлению.
• Масляное покрытие пленки. Толщина слоя масла составляет 0,1–0,3 мкм. Помимо повышения пробивного напряжения DC-BDV это позволяет расширить допустимый рабочий температурный диапазон. Масляное наполнение дает возможность использовать бескорпусные PCC-конденсаторы непосредственно внутри преобразователя.

Конденсаторы, выполненные по этим технологиям, найдут свое применение в различных новейших разработках, особенно в инновационных автомобильных. Наиболее перспективной представляется комбинация данных технологий покрытия пленки и высокотемпературных полимеров: PPS, PEN и PET [8]. Повышение пробивного напряжения DC-BDV и самовосстановление увеличивают допустимую напряженность электрического поля E_R и тем самым, как объяснялось выше, ведут к уменьшению физического размера конденсатора.

Коэффициент заполнения (VFF)

Зачастую производители недооценивают влияние такого фактора, как оптимальное заполнение объема конденсатора (VFF — соотношение физического и эффективного электрического объемов). В зависимости от типа диэлектрика заполнение может быть неполным, то есть не весь объем конденсатора является эффективным и, следовательно, он используется нерационально. Чтобы конденсаторы других типов были одинаковы по размеру с PCC-конденсаторами (VFF = 1), они должны быть сделаны из более тонкой пленки, что, соответственно, влияет на срок их службы — укорачивает его (рис. 8).

Новая технология намотки для PCC-конденсаторов

Современное развитие технологий [10] позволяет получить абсолютно плоскую стэк-намотку для применения в силовых PCC-конденсаторах, используя металлизированную пленку PP толщиной от 2 мкм и PET толщиной от 1,5 мкм (рис. 9).

На рис. 10 показаны основные этапы производства PCC-конденсаторов. Для данной области применения большое значение имеет то, что высокотехнологичную производственную линию легко настроить на производство конденсаторов разных размеров. Комбинация волновой и гладкой обрезки позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта. Оборудование обеспечивает прецизионно выверенное смещение слоев пленки относительно друг друга во время намотки. Как результат, превосходная способность выдерживать высокие токовые нагрузки и отсутствие контактных проблем на краю пленки (это часто встречающийся опасный эффект некачественного контакта металлизированных обкладок и выводов конденсатора, характерный для дешевой MKP-технологии намотки).

PCC — процесс производства

На рис. 11 и в таблице 5 показаны возможные размеры и формы стэк-намоток.

Предъявляемые требования

Требования разработчиков автоэлектрооборудования характерны отсутствием общих стандартов. В первом приближении за основу могут быть приняты параметры, приведенные в таблицах 6 и 6а.

Требования, предъявляемые к оборудованию, устанавливаемому под капотом или непосредственно на двигатель автомобиля, необычайно высоки: рабочая температура до 125 °С, в отдельных случаях возможно повышение температуры до 140–150 °С [11, 12, 16], что существенно отличается от общепромышленных значений.

Тепловой расчет

Производя тепловой расчет системы, нужно принимать во внимание необходимость обеспечить требуемую надежность и ожидаемый срок службы, при этом важнейшее требование для конденсатора — компактность — остается в силе [9]. Температурное воздействие на конденсатор может быть двух типов: медленное изменение и резкий скачок температуры. Тесты на скачок температуры обычно представляют собой от 100 до 1000 термоциклов в диапазоне от –40 до +105/125 °C.

В автомобильных стандартах нет определенных требований к колебаниям напряжения на аккумуляторных батареях автомобиля, однако в будущем для снижения колебания напряжения потребуются конденсаторы с большей энергоемкостью.

Выбор подходящего типа конденсатора

Решение о том, какой тип конденсатора выбрать в том или ином случае, зависит от конкретных условий, например в соответствии с температурным профилем (таблица 6, 6а).

Электролитические конденсаторы

Они содержат жидкий электролит и обеспечивают наилучшее соотношение емкость/объем. Электролитические конденсаторы обладают широким диапазоном рабочих температур. Существует большой выбор типов с различным эквивалентным последовательным сопротивлением ESR, но их токовая нагрузка, электрическая прочность и устойчивость к импульсам напряжения сравнительно малы, а конструкция корпуса может усложнить монтаж. Еще один недостаток — это короткое замыкание выводов в случае пробоя конденсатора.

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC)

MLCC до настоящего времени не нашли применения в звене постоянного тока. Основная проблема — это образование трещин вследствие термомеханичеких воздействий, также типичным последствием выхода этих устройств из строя является короткое замыкание. По этой причине в автомобилях применяются керамические конденсаторы только малого размера, и пока перспектива использовать их в звене постоянного тока довольно призрачная.

Пленочные конденсаторы

Для высоковольтных применений с U_R > 300 В предпочтительны пленочные конденсаторы, особенно PCC-конденсаторы: они обеспечивают высочайшую стабильность электрических параметров. Вариации ESR и рабочей температуры невелики, токовая нагрузка, электрическая прочность, устойчивость к импульсам очень высокие, а самовосстановление исключает вероятность короткого замыкания. Кроме этого, упрощен монтаж конденсаторов такого типа.

Современные подходы к разработке

Если на ранней стадии разработки принять возможность монтажа PCC-конденсатора непосредственно в преобразователь, то результатом будет оптимальное решение технической задачи и достижение максимальных преимуществ для конечного пользователя. Компания EPCOS является единственным производителем, где используют все технологии намотки: круглую, плоскую и стэк-намотку. Диапазон напряжений (V_R) составляет от 100 до 1000 В, а емкости (C_R) от 50 до 3000 мФ, в зависимости от условий и особенностей применения. Индивидуальный дизайн — это дополнительные преимущества (например, интегрированная шина) [13, 14] для разработчиков при оптимизации конструкции их инверторов:

• высокий коэффициент заполнения (V_physical/V_technical = 1);
• миниатюризация благодаря интеграции в систему;
• высокая вариативность дизайна;
• легко встраивать в корпус инвертора;
• экстремально низкая индуктивность;
• высокая допустимая рабочая температура;
• низкий вес;
• высокая электрическая прочность;
• высокая устойчивость к импульсам тока;
• длительный срок службы;
• высокая механическая прочность;
• низкая пожароопасность благодаря сухой технологии.

Примеры применения

Целесообразность применения PCC-конденсаторов показана на конкретных примерах.

Для эффективного отвода энергии из полупроводниковых приборов паразитная индуктивность между мощным полупроводником и PCC-конденсаторами должна быть минимальна. Конденсатор звена постоянного тока размещен между силовыми электрическими цепями преобразователя и является связующим элементом. Чтобы добиться оптимального использования пространства, PCC снабжают концентрическими обкладками, таким образом, конденсатор идеально подходит к преобразователю по форме и диаметру [15].

Тенденции

Выходная мощность двигателей современных гибридных автомобилей (P) выросла от 20–30 кВт в 2001 году до уровня 120 кВт в 2006 году, а напряжение U_R от 100–300 В достигло значения около 700 В. Это открывает новые перспективы и возможности успешного применения пленочных конденсаторов. Разработки нацелены на достижение самых высоких рабочих характеристик [15, 16] следующего поколения преобразователей современных гибридных автомобилей. Самое эффективное решение данной задачи — это усовершенствование технологии намотки пленки конденсаторов:

• использование новых типов металлизации;
• уменьшение толщины PP-пленки;
• снижение энергетических потерь благодаря улучшенной технологии металлизации.

Вместе с высококачественным и выгодным производством это позволяет успешно применять PCC в автопромышленности.

Заключение

Развитие и совершенствование технологии PCC ведет к дальнейшей оптимизации конструкции современных автомобильных преобразователей. PCC-конденсаторы также могут послужить заменой электролитическим конденсаторам; очевидно, что ультракомпактные PCC — чаще всего выполненные в едином корпусе — это лучшее решение для снижения объема и экономии пространства в небольших и/или портативных установках. Малые габариты позволяют использовать PCC практически в любой конструкции, и применение современных технологий гарантирует новые, ранее недоступные технические характеристики и рабочие показатели, такие как значительно сниженная эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и сопротивление (ESR), а также повышение рабочих температур до 150 °C.

Благодарности

Огромная благодарность Dr.-Ing. Yehia Tadros из DaimlerChrysler R&T, Stuttgart, Germany; Mr. Schimanek и Dr. Mдrz из Fraunhofer IIS-B, Erlangen, Germany, за их неоценимую помощь в разработке PCC для автомобильных применений. Также благодарю Mr. Kilian и Dr. Greif, ContiTEMIC, Nьrnberg, Germany за помощь в поддержке программы PCC; Mr. Hobert и Mr. Eickhoff из Steiner GmbH, Germany, за информацию о новых технологиях намотки.

Словарь

APE — Automotive Power Electronics — автомобильная силовая электроника;

HEV — Hybrid Electrical Vehicle — автомобиль с гибридным приводом;

PCC — Power Capacitor Chip — компактный силовой конденсатор;

ECPE — European Center for Power Electronics — Европейский центр силовой электроники;

VFF — Volume Fill Factor of capacitor — коэффициент заполнения объема;

BDV — Breakdown Voltage strength (DC or AC) — напряжение пробоя;

PP — Polypropylene — полипропилен;

PPS — Polyphenylene sulphide — полифинилсульфид;

PEN — Polyethlenenaphthalate — полиэтиленнафталат;

PET — Polyethyleneterephthalate — полиэтилентерефталат;

HID — High Intensity Discharge lamps — разрядная лампа высокой интенсивности;

MWD — Molecular Weight Distribution — молекулярное-весовое распределение;

PW — Polygon Winder — станок для намотки на многоугольный барабан;

CSP — Cross section profiled (metallization) — профиль металлизации;

MKP — Metallized Kunststoff Polypropylene — конденсатор на основе металлизированной полипропиленовой пленки;

MKK — Metallized Kunststoff Kompakt — компактный конденсатор на основе металлизированного полимера;

UTF — Ultra thin film — ультратонкая пленка.