Компактные силовые конденсаторы для мощных преобразователей напряжения

Харальд Феттер
Перевод: Олег Гнеушев

Силовые конденсаторы цепи постоянного тока являются ключевыми компонентами при разработке мощных преобразователей напряжения. Новое поколение полупроводниковых приборов IGBT устанавливает более высокие стандарты электрических свойств силовых конденсаторов. Замена GTO ключей на полупроводниковые приборы современных технологий также ставит новые высокие требования к качеству силовых конденсаторов. Например, собственная индуктивность конденсаторов должна быть снижена в десять раз по сравнению с силовыми конденсаторами, применявшимися в прошлом поколении преобразователей напряжения, чтобы снизить уровень коммутационных перенапряжений при возросшей скорости переключений. Допустимые для конденсаторов уровни температурных и токовых пиков также должны быть увеличены вдвое по сравнению с силовыми конденсаторами, применявшимися в тиристорных преобразователях напряжения.

Для обеспечения соответствия этим требованиям компания Epcos разработала силовые конденсаторы серии PCC-HP (Power Chip Capacitor High Power) — новое поколение силовых конденсаторов, основанных на технологии MKK (металлизированная пленка, компактный, легкий, сухой дизайн), уже успешно работающих в многочисленных транспортных системах [1].

Требуемая нагрузочная способность по току и индуктивность цепи обеспечиваются размещением модуля силового конденсатора PCC-HP непосредственно на шины преобразователя напряжения. Эти новые возможности конденсаторов PCC-HP позволяют применять их в широком диапазоне мощных преобразователей.

Новая концепция управления позволяет снизить необходимый уровень емкости силовых конденсаторов звена постоянного тока при одновременном увеличении токовой нагрузки. Эта тенденция приводит к использованию пленочных конденсаторов, таких как PCC-HP, в применениях, где до сих пор традиционно использовались электролитические силовые конденсаторы [2].

Требования, предъявляемые силовыми транзисторами IGBT

При разработке преобразователя напряжения на силовых транзисторах IGBT особое внимание должно быть направлено на обеспечение низкого уровня индуктивности контура (L_σ < 100 нГн) для минимизации коммутационных перенапряжений ui , которые могут превысить допустимые уровни реверсивного напряжения IGBT приборов и привести к выводу из строя полупроводниковых ключей. Таким образом, многослойное расположение шин становится оптимальным решением для соединения IGBT модуля и силового конденсатора звена постоянного тока [3, 4]. Силовые модули IGBT также определяют геометрические размеры LxWxH, емкость CR и собственную индуктивность Lσ конденсатора. Типичные требования для РСС-HP обобщены в таблице 1.

Концепция PCC

Для современных мощных преобразователей напряжения компания Epcos разработала семейство силовых конденсаторов PCC-HP — новое поколение низкоиндуктивных, компактных, легких конденсаторов, производимых по технологии MKK. Для снижения индуктивности были сделаны значительные конструктивные усовершенствования (рис. 1). Необходимые нагрузочная способность и индуктивность контура были достигнуты путем модульного монтажа силового конденсатора PCC-HP непосредственно на шину (благодаря этому отпала необходимость в снабберных конденсаторах, подключаемых параллельно батарее). Это новшество применимо для широкого диапазона преобразователей напряжения и обеспечивает оптимальную техническую и экономичную конструкцию преобразователя, отвечающую требованиям миниатюризации, стандартизации и модульности.

Технология изготовления силовых конденсаторов MKK предполагает использование самовосстанавливающейся PP[PHD] пленки с напыленным структурированным металлизированным слоем алюминия или сплава Zn/Al. Металлизация выполнена неоднородно, она имеет утолщенную кромку. Волнообразная обрезка пленки по краю позволяет максимально увеличить площадь контакта при плоской намотке. Результатом применения такой технологии стала исключительная способность силовых конденсаторов выдерживать мощные импульсы тока без проявления краевого эффекта (хорошо известный и опасный эффект, возникающий в месте соединения выводов и края обкладки конденсатора).

Если дизайн силовых конденсатора принят к рассмотрению на ранней стадии разработки преобразователя напряжения, то конденсатор, изготовленный с учетом особенностей конструкции изделия, может иметь, например, специальный дизайн выводов (табл. 3; рис. 2, 3–5).

В стандартном силовом конденсаторе PCC-HP используется компактная плоская намотка MKK-DC. Epcos обладает всеми наиболее важными и передовыми технологиями намотки: круглая, плоская и так называемая стэк-намотка для производства силовых конденсаторов. Благодаря этому оптимальная система может быть заложена с самого начала разработки (рис. 6). Стэк-намотка фиксируется на платформе, усиленной стекловолокном для обеспечения высокой вибростойкости. Корпус из нержавеющей стали дополнительно упрочняет конструкцию. Платформа допускает радиальный и аксиальный дизайн и может быть снабжена различными типами выводов. Корпус силового конденсатора снабжен винтовыми фиксирующими гнездами M6 и может быть дополнен различными скобами для механического крепления. Такой дизайн отвечает требованиям стандарта IEC1071/68.

При изготовлении оборудования требования «Стандартов пожаробезопасности для компонентов, используемых на транспорте» (Fire Standards for Public Transportation Parts) играют все большую роль, особенно после нескольких аварий, произошедших у конечных пользователей при эксплуатации данного оборудования. При выборе компонентов повышенное внимание должно быть уделено соблюдению этих стандартов, особенно NFF-16-101/102. Силовые конденсаторы, производимые компанией Epcos по вышеперечисленным технологиям, отвечают требованиям международных стандартов (табл. 4).

Аспекты современного дизайна силовых конденсаторов

Следующий пример показывает возможные варианты изготовления. В настоящий момент изготовление стандартного силового конденсатора PCC-HP доступно на трех различных платформах (посадочные места) (рис. 7).

Силовые конденсаторы PCC-HP ранжированы по напряжению VR. Основные технические данные конденсаторов приведены в таблице 5 (для конденсатора PCC-HP стандартного размера — LxWxH = 367x195xH мм).

Номинальная емкость CR в таблице 5 показывает возможную емкость в зависимости от длины применяемой платформы и выражается следующими формулами:

Монтаж силовых конденсаторов PCC непосредственно на шины обеспечивает исключительно низкую индуктивность (рис. 8, 9, 10).

Преимущества новых силовых конденсаторов

Силовые конденсаторы PCC-HP оптимизированы для использования в преобразователях напряжения для тяжелых условий транспортного и промышленного применения. Наиболее важные преимущества PCC-HP перед стандартными силовыми конденсаторами приведены ниже:

• Низкая собственная индуктивность силового конденсатора позволяет снизить индуктивность контура в целом.
• Непосредственный монтаж на шины и адаптация к IGBT.
• В ряде случаев позволяет отказаться от снабберных конденсаторов.
• Упрощение и снижение стоимости конечного устройства.
• Произвольное положение монтажа.
• Уменьшение объема установки в целом.
• Снижение веса установки.
• Пожаробезопасность (благодаря сухой технологии изготовления силовых конденсаторов MKK).
• Высокая токовая нагрузка.
• Исключительная способность выдерживать мощные импульсы тока.
• Длительный срок службы.

Тенденции

Развитие силовой электроники идет по пути увеличения мощности, компактности и степени интеграции систем. Новые силовые чип-конденсаторы, разработанные компанией Epcos для особо мощных преобразователей IGBT, удовлетворяют всем этим требованиям. Продолжающееся развитие силовых чип-конденсаторов откроет новые области их применения. Развитие силовых конденсаторов будет идти по пути совершенствования процесса металлизации для производства высококачественной самовосстанавливающейся полимерной пленки. Компания Epcos работает над увеличением токовой нагрузки и диэлектрической прочности металлизированной пленки в типичных условиях эксплуатации. Стандартные металлопленочные конденсаторы будут заменяться другими, оптимизированными под специальные применения при сохранении стоимости. Прогресс в дизайне и производстве, направленный на улучшение качества изготовления MKK силовых конденсаторов, позволит отказаться от конденсаторов, выполненных по старым технологиям.

В силовых приложениях свойства алюминиевых электролитических конденсаторов значительно отличаются от свойств самовосстанавливающихся пленочных конденсаторов. В настоящее время видна тенденция к переходу на PCC силовые конденсаторы, особенно в тех применениях, где необходимы свойство самовосстановления при воздействии высоковольтных импульсов и стабильная емкость на протяжении всего срока службы оборудования. Силовые конденсаторы PCC-HP не содержат масло и могут быть легко переработаны по окончании срока службы, так как состоят из легко разделяемых материалов: полиэстер или полипропилен, медь, полиэстер, усиленный стекловолокном, и инертный газ.

Литература

1. Vetter H. Dry MKK-Capacitors for modern rail traction. SIEMENS Components 02/96, 3/97.
2. Bramoulie, M.: Electrolytic or film capacitor. IEEE 10/98.
3. Vetter H. High power capacitors for low inductance circuits. SIEMENS Components 28/90.
4. Schütze T. Design aspects for inverters with IGBT high-power modules. Proc. PCIM Hong Kong 10/97.
5. Vetter H. Patent file US 6,409,545 B1 Jun. 25, 2002.
6. Zorzynski, D. et. al. High voltage IGBT modules in the design of a 3 kV Chopper. Proc. M.E.T. Gdansk, Poland 05/01.
7. Beinhold G., Jakob R., Nahrstead M. A new range of medium voltage multilevel inverter drives with floating capacitor technology. EPE 2001 Graz.