این هفته قصد داریم استفاده از خازن‌های فیلم به جای خازن‌های الکترولیتی در خازن‌های DC-link را بررسی کنیم. این مقاله به دو بخش تقسیم خواهد شد.

با توسعه صنعت انرژی جدید، فناوری جریان متغیر معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد و خازن‌های DC-Link به عنوان یکی از دستگاه‌های کلیدی برای انتخاب، از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. خازن‌های DC-Link در فیلترهای DC عموماً به ظرفیت بالا، پردازش جریان بالا و ولتاژ بالا و غیره نیاز دارند. این مقاله با مقایسه ویژگی‌های خازن‌های فیلم و خازن‌های الکترولیتی و تجزیه و تحلیل کاربردهای مرتبط، نتیجه می‌گیرد که در طراحی‌های مدار که به ولتاژ عملیاتی بالا، جریان ریپل بالا (Irms)، الزامات اضافه ولتاژ، معکوس شدن ولتاژ، جریان هجومی بالا (dV/dt) و طول عمر طولانی نیاز دارند، به این نتیجه می‌رسد. با توسعه فناوری رسوب بخار فلزی و فناوری خازن فیلم، خازن‌های فیلم به یک روند برای طراحان تبدیل می‌شوند تا خازن‌های الکترولیتی را از نظر عملکرد و قیمت در آینده جایگزین کنند.

با معرفی سیاست‌های مرتبط با انرژی‌های نو و توسعه صنعت انرژی‌های نو در کشورهای مختلف، توسعه صنایع مرتبط در این زمینه فرصت‌های جدیدی را به ارمغان آورده است. و خازن‌ها، به عنوان یک صنعت ضروری مرتبط با محصولات بالادستی، فرصت‌های توسعه جدیدی را نیز به دست آورده‌اند. در انرژی‌های نو و خودروهای انرژی نو، خازن‌ها اجزای کلیدی در کنترل انرژی، مدیریت توان، اینورتر قدرت و سیستم‌های تبدیل DC-AC هستند که عمر مبدل را تعیین می‌کنند. با این حال، در اینورتر، از توان DC به عنوان منبع تغذیه ورودی استفاده می‌شود که از طریق یک باس DC به اینورتر متصل می‌شود که DC-Link یا پشتیبانی DC نامیده می‌شود. از آنجایی که اینورتر جریان‌های پالس RMS و پیک بالایی را از DC-Link دریافت می‌کند، ولتاژ پالس بالایی را روی DC-Link تولید می‌کند که تحمل آن را برای اینورتر دشوار می‌کند. بنابراین، خازن DC-Link برای جذب جریان پالس بالا از DC-Link و جلوگیری از نوسان ولتاژ پالس بالای اینورتر در محدوده قابل قبول مورد نیاز است. از سوی دیگر، از تأثیرپذیری اینورترها از جهش ولتاژ و اضافه ولتاژ گذرا روی DC-Link نیز جلوگیری می‌کند.

نمودار شماتیک استفاده از خازن‌های DC-Link در انرژی‌های نو (شامل تولید انرژی بادی و تولید انرژی فتوولتائیک) و سیستم‌های محرک موتور خودروهای انرژی نو در شکل‌های ۱ و ۲ نشان داده شده است.

شکل ۱ توپولوژی مدار مبدل توان بادی را نشان می‌دهد، که در آن C1 اتصال DC (عموماً در ماژول ادغام شده)، C2 جذب IGBT، C3 فیلتر LC (سمت شبکه) و C4 فیلتر DV/DT سمت روتور است. شکل ۲ فناوری مدار مبدل توان PV را نشان می‌دهد، که در آن C1 فیلتر DC، C2 فیلتر EMI، C4 اتصال DC، C6 فیلتر LC (سمت شبکه)، C3 فیلتر DC و C5 جذب IPM/IGBT است. شکل ۳ سیستم محرک موتور اصلی در سیستم خودروی انرژی نو را نشان می‌دهد، که در آن C3 اتصال DC و C4 خازن جذب IGBT است.

در کاربردهای انرژی نو که در بالا ذکر شد، خازن‌های DC-Link به عنوان یک وسیله کلیدی، برای قابلیت اطمینان بالا و عمر طولانی در سیستم‌های تولید انرژی بادی، سیستم‌های تولید انرژی فتوولتائیک و سیستم‌های خودروهای انرژی نو مورد نیاز هستند، بنابراین انتخاب آنها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در ادامه مقایسه‌ای از ویژگی‌های خازن‌های فیلم و خازن‌های الکترولیتی و تحلیل آنها در کاربرد خازن DC-Link ارائه شده است.

مقایسه ویژگی‌ها

۱.۱ خازن‌های فیلم

در ابتدا اصل فناوری متالیزاسیون فیلم معرفی می‌شود: یک لایه به اندازه کافی نازک از فلز روی سطح محیط فیلم نازک تبخیر می‌شود. در صورت وجود نقص در محیط، این لایه قادر به تبخیر و در نتیجه جداسازی نقطه معیوب برای محافظت است، پدیده‌ای که به عنوان خودترمیمی شناخته می‌شود.

شکل ۴ اصل پوشش فلزی‌سازی را نشان می‌دهد، که در آن لایه نازک قبل از تبخیر، پیش‌تیمار می‌شود (به صورت کرونا یا غیره) تا مولکول‌های فلز بتوانند به آن بچسبند. فلز با حل شدن در دمای بالا تحت خلاء (۱۴۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد برای آلومینیوم و ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد برای روی) تبخیر می‌شود و بخار فلز هنگام برخورد با لایه خنک‌شده (دمای خنک‌سازی لایه -۲۵ تا -۳۵ درجه سانتیگراد) روی سطح لایه متراکم می‌شود و در نتیجه یک پوشش فلزی تشکیل می‌شود. توسعه فناوری فلزی‌سازی، مقاومت دی‌الکتریک لایه دی‌الکتریک را در واحد ضخامت بهبود بخشیده است و طراحی خازن برای کاربرد پالس یا تخلیه با فناوری خشک می‌تواند به ۵۰۰ ولت بر میکرومتر برسد و طراحی خازن برای کاربرد فیلتر DC می‌تواند به ۲۵۰ ولت بر میکرومتر برسد. خازن DC-Link متعلق به مورد دوم است و طبق IEC61071 برای کاربرد الکترونیک قدرت، خازن می‌تواند در برابر شوک ولتاژ شدیدتر مقاومت کند و می‌تواند به ۲ برابر ولتاژ نامی برسد.

بنابراین، کاربر فقط باید ولتاژ عملیاتی نامی مورد نیاز برای طراحی خود را در نظر بگیرد. خازن‌های فیلم متالیزه ESR پایینی دارند که به آنها اجازه می‌دهد جریان‌های ریپل بزرگتری را تحمل کنند؛ ESL پایین‌تر، الزامات طراحی اندوکتانس پایین اینورترها را برآورده می‌کند و اثر نوسان را در فرکانس‌های سوئیچینگ کاهش می‌دهد.

کیفیت دی‌الکتریک لایه نازک، کیفیت پوشش فلزی، طراحی خازن و فرآیند تولید، ویژگی‌های خودترمیمی خازن‌های فلزی را تعیین می‌کنند. دی‌الکتریک لایه نازک مورد استفاده برای خازن‌های DC-Link تولید شده، عمدتاً لایه نازک OPP است.

محتوای فصل ۱.۲ در مقاله هفته آینده منتشر خواهد شد.