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低電感電解電容器尺寸進一步縮小,同時提高工業(yè)自動化性能

jf_pJlTbmA9 ? 來源:Suzana Jankuloska ? 作者:Suzana Jankuloska ? 2023-11-29 16:27 ? 次閱讀
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作者:KEMET公司鋁電解產(chǎn)品經(jīng)理SuzanaJankuloska

在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)等新興行業(yè)趨勢的推動下,制造和裝配過程自動化繼續(xù)得到越來越普遍地采納,而低電感電解電容器有助于在機器人和其他工業(yè)設(shè)備中降低成本,提升性能。

聚丙烯薄膜和電解電容器都適用于大功率工業(yè)應用中的大容量平滑和去耦等任務,這些包括開關(guān)模式電源的輸出以及穩(wěn)定變頻電機驅(qū)動器和固定頻率發(fā)電機的直流鏈路等。相對于其他電容器技術(shù),電解電容器在小尺寸下仍可提供較高電容,且成本較低,并且通常在高達約600V的應用中更受歡迎。

每個真正的電容器都會有相應的電感,當高頻紋波電流通過器件時會產(chǎn)生電壓尖峰。專為低寄生電感而設(shè)計的電容器可以減小這些電壓峰值的幅度,從而允許設(shè)計人員使用較低電壓等級的功率半導體器件。此外,采用低電感器件還可以減少每組所需的電容器數(shù)量,從而有助于降低總體成本,并減小尺寸和重量。

電容器的寄生電感

一個理想電容器能夠?qū)⑺写鎯Φ哪芰克查g傳輸?shù)截撦d,而實際應用中電容器則不同,由于具有不想要的寄生元件,而這些元件可以視為與電容串聯(lián)的等效電感和電阻(ESL和ESR)。不需要的電感會造成包括導致感應電壓尖峰等影響,可能會損壞連接到電路的敏感元件。此外,雜散電感和器件電容之間的相互作用也會導致噪聲,從而影響電路穩(wěn)定性和功率質(zhì)量。

一般來說,電感傾向于阻礙電流的變化,其影響的大小取決于頻率。容抗隨頻率升高降低,而感抗則隨頻率升高而趨于增大。這兩種電抗在電容器的自諧振頻率處變得大小相等,但相位相反,產(chǎn)生抵消效應,使總電抗為零,電容器的阻抗完全由ESR引起:

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在自諧振頻率以下,該元件表現(xiàn)為一個電容器,并且阻抗隨著頻率的增加而趨于減小。隨著頻率的增加,阻抗特性開始偏離并在自諧振頻率處達到最小值。高于該頻率,電感特性占主導地位,阻抗增加。降低電容器的ESL會提高自諧振頻率。

低電感電容器需求

大容量電容(bulkcapacitance)是能夠從低電感電解電容器中受益的一個應用,它通常會受到高頻開關(guān)的影響。此外,工業(yè)逆變器驅(qū)動等直流鏈路應用需要低ESL電容器,以最大限度地減少自發(fā)熱,同時增強對功率器件的保護。標準電解直流鏈路電容器的ESL以及相關(guān)連接、電纜和其它元器件一起產(chǎn)生電壓尖峰,需要在每個逆變器相橋臂(phaseleg)上放置一個緩沖器。降低電容器本身的ESL可以使總體電感降低,甚至達到可以完全消除每個逆變器相橋臂緩沖電路的程度。

內(nèi)部電容設(shè)計

影響較大型螺釘端子電解電容器ESL的主要內(nèi)部元件包括板接端子(deckterminal)、內(nèi)部連接片和繞組,如圖1所示。通過優(yōu)化內(nèi)部布局,可以有效降低ESL,消除電容器電流產(chǎn)生的所有磁場,這可以通過諸如減小繞組元件和端子之間的距離,以及減小接線片之間的距離等技術(shù)來實現(xiàn)。圖1比較了標準電容器與低電感型號的內(nèi)部布局,說明了重新設(shè)計這些特性如何將電感降低多達40%。

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圖1:影響電容器電感的因素,以及在高壓鋁電解電容螺絲端子中將ESL降低多達40%的效果。

優(yōu)化端子設(shè)計

如圖2所示,減小端子之間的距離會產(chǎn)生電感消除效應。此外,也需要降低端子的高度以縮短總導體長度。端子下方若有較大表面積,能夠允許內(nèi)部連接片的間距更小,以最大限度地改善電感消除效果。這種設(shè)計還可利用多個并聯(lián)的接線片。

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圖2:降低端子高度并使其間距更近,以及帶來的端蓋設(shè)計相關(guān)變化。

低電感電容器進展

降低整個電路的電感可以降低電源線上電壓尖峰幅度(參見圖3),而電解電容器是其中一個影響因素。從圖3可見,由陡峭邊緣脈沖引起的峰值降低最為顯著。降低電力線上的峰值電壓具有多種優(yōu)勢,其中包括允許設(shè)計人員采用較低額定電壓的功率半導體器件,從而能夠降低成本以及提高功率密度。此外,電容器組的構(gòu)建可以使用數(shù)量更少的電容器來實現(xiàn)相同的性能,從而降低變頻器的成本、重量以及對空間的要求。

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圖3:電壓瞬態(tài)示例,這可以通過選擇更好的電容器來緩解瞬態(tài)影響(使用具有更好ESL特性的元件)。

結(jié)論

降低電源電容器的ESL有助于減少工業(yè)自動化、機器人、電源管理和智能工廠設(shè)備等應用的物料清單。由于較低的ESL會提高電容器的自諧振頻率,從而能夠在更高開關(guān)頻率的電路中使用,并可以降低峰值電壓尖峰,同時允許使用額定值較低的功率半導體器件。通過幫助降低噪聲,較低的ESL也有助于提高開關(guān)模式電源輸出的功率質(zhì)量。

低ESL電解電容器體現(xiàn)了許多設(shè)計創(chuàng)新,其中包括減少互連長度,利用電感消除技術(shù)等等。在較高電壓下,ESL降低的比例可實現(xiàn)最大化,目前測量到的電容器ESL改善可高達40%。

審核編輯 黃宇

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