השבוע אנחנו ממשיכים עם המאמר של השבוע שעבר.

1.2 קבלים אלקטרוליטיים

הדיאלקטרי המשמש בקבלים אלקטרוליטיים הוא תחמוצת אלומיניום הנוצר על ידי קורוזיה של אלומיניום, עם קבוע דיאלקטרי של 8 עד 8.5 וחוזק דיאלקטרי עבודה של כ-0.07V/A (1µm=10000A).עם זאת, לא ניתן להשיג עובי כזה.עובי שכבת האלומיניום מפחית את גורם הקיבולת (קיבולת ספציפית) של קבלים אלקטרוליטיים מכיוון שיש לחרוט את רדיד האלומיניום כדי ליצור סרט תחמוצת אלומיניום כדי לקבל מאפייני אחסון אנרגיה טובים, והמשטח ייצור משטחים לא אחידים רבים.מצד שני, ההתנגדות של אלקטרוליט היא 150Ωcm עבור מתח נמוך ו-5kΩcm עבור מתח גבוה (500V).ההתנגדות הגבוהה יותר של האלקטרוליט מגבילה את זרם ה-RMS שהקבל האלקטרוליטי יכול לעמוד בו, בדרך כלל ל-20mA/µF.

מסיבות אלו קבלים אלקטרוליטיים מתוכננים למתח מרבי של 450V אופייני (יש יצרנים בודדים שמתכננים עבור 600V).לכן, על מנת להשיג מתחים גבוהים יותר יש צורך להשיג אותם על ידי חיבור קבלים בסדרה.עם זאת, בגלל ההבדל בהתנגדות הבידוד של כל קבל אלקטרוליטי, יש לחבר נגד לכל קבל על מנת לאזן את המתח של כל קבל מחובר בסדרה.בנוסף, קבלים אלקטרוליטים הם מכשירים מקוטבים, וכאשר המתח ההפוך המופעל עולה על פי 1.5 מ-Un, מתרחשת תגובה אלקטרוכימית.כאשר המתח ההפוך המופעל ארוך מספיק, הקבל ישפך החוצה.על מנת למנוע תופעה זו, יש לחבר דיודה ליד כל קבל בעת השימוש בו.חוץ מזה, התנגדות נחשולי המתח של קבלים אלקטרוליטיים היא בדרך כלל פי 1.15 מ-U, והטובים יכולים להגיע לפי 1.2 מ-Un.אז המתכננים צריכים לשקול לא רק את מתח העבודה במצב יציב אלא גם את מתח הנחשול בעת השימוש בהם.לסיכום, ניתן לשרטט את טבלת ההשוואה הבאה בין קבלי סרט וקבלים אלקטרוליטיים, ראה איור 1.

2. ניתוח יישומים

קבלים DC-Link כמסננים דורשים תכנונים של זרם גבוה וקיבולת גבוהה.דוגמה היא מערכת ההנעה הראשית של רכב אנרגיה חדש כפי שהוזכר באיור 3.ביישום זה הקבל ממלא תפקיד ניתוק והמעגל כולל זרם הפעלה גבוה.לקבל הסרט DC-Link יש יתרון ביכולת לעמוד בזרמי פעולה גדולים (Irms).קח כדוגמה פרמטרים של רכבי אנרגיה חדשים של 50~60kW, הפרמטרים הם כדלקמן: מתח הפעלה 330 Vdc, מתח אדווה 10Vrms, זרם אדווה 150Arms@10KHz.

אז הקיבולת החשמלית המינימלית מחושבת כך:

זה קל ליישום עבור עיצוב קבלי סרט.בהנחה שמשתמשים בקבלים אלקטרוליטיים, אם נחשב 20mA/μF, הקיבול המינימלי של הקבלים האלקטרוליטיים מחושב כך שיעמוד בפרמטרים לעיל כדלקמן:

זה דורש מספר קבלים אלקטרוליטיים מחוברים במקביל כדי להשיג את הקיבול הזה.

ביישומי מתח יתר, כגון רכבת קלה, אוטובוס חשמלי, רכבת תחתית וכו'. בהתחשב בכך שהכוחות הללו מחוברים לפנטוגרף הקטר דרך הפנטוגרף, המגע בין הפנטוגרף לפנטוגרף הוא לסירוגין במהלך נסיעת התחבורה.כאשר השניים אינם במגע, אספקת החשמל נתמכת על ידי קבל הדיו DC-L, וכאשר המגע משוחזר, נוצר מתח היתר.המקרה הגרוע ביותר הוא פריקה מלאה על ידי קבל DC-Link כאשר הוא מנותק, כאשר מתח הפריקה שווה למתח הפנטוגרף, וכאשר מגע משוחזר, מתח היתר המתקבל הוא כמעט פי שניים מהתפעול המדורג Un.עבור קבלי סרט ניתן לטפל בקבל של DC-Link ללא שיקול נוסף.אם משתמשים בקבלים אלקטרוליטיים, מתח היתר הוא 1.2 Un.קחו לדוגמה את המטרו של שנגחאי.Un=1500Vdc, עבור קבלים אלקטרוליטיים להתחשב במתח הוא:

לאחר מכן יש לחבר את ששת הקבלים של 450V בסדרה.אם נעשה שימוש בעיצוב קבלי הסרט ב-600Vdc עד 2000Vdc או אפילו 3000Vdc מושגת בקלות.בנוסף, האנרגיה במקרה של פריקה מלאה של הקבל יוצרת פריקה קצרה בין שתי האלקטרודות, ויוצרת זרם פריצה גדול דרך קבל ה-DC-Link, שבדרך כלל שונה עבור קבלים אלקטרוליטיים כדי לעמוד בדרישות.

בנוסף, בהשוואה לקבלים אלקטרוליטיים ניתן לתכנן קבלים מסוג DC-Link כדי להשיג ESR נמוך מאוד (בדרך כלל מתחת ל-10mΩ, ואפילו נמוך יותר <1mΩ) ו-LS עם השראות עצמית (בדרך כלל מתחת ל-100nH, ובמקרים מסוימים מתחת ל-10 או 20nH) .זה מאפשר להתקין את קבל הסרט DC-Link ישירות במודול ה-IGBT כאשר הוא מיושם, ומאפשר לשלב את פס האוטובוס בקבל הסרט DC-Link, ובכך לבטל את הצורך בקבל בולם IGBT ייעודי בעת שימוש בקבלי סרט, חיסכון המעצב סכום כסף משמעותי.איור 2.ו-3 מציגים את המפרט הטכני של חלק ממוצרי C3A ו-C3B.

3. מסקנה

בימים הראשונים, קבלים של DC-Link היו בעיקר קבלים אלקטרוליטיים בשל שיקולי עלות וגודל.

עם זאת, קבלים אלקטרוליטים מושפעים מיכולת עמידה במתח ובזרם (ESR גבוה בהרבה בהשוואה לקבלי סרט), ולכן יש צורך לחבר מספר קבלים אלקטרוליטיים בסדרות ובמקבילים על מנת לקבל קיבולת גדולה ולעמוד בדרישות השימוש במתח גבוה.בנוסף, בהתחשב בהתנדפות של חומר אלקטרוליט, יש להחליפו באופן קבוע.יישומי אנרגיה חדשים דורשים בדרך כלל חיי מוצר של 15 שנים, ולכן יש להחליף אותו 2 עד 3 פעמים במהלך תקופה זו.לכן, יש עלות ניכרת ואי נוחות בשירות לאחר המכירה של כל המכונה.עם הפיתוח של טכנולוגיית ציפוי מתכת וטכנולוגיית קבלי סרט, ניתן היה לייצר קבלי מסנן DC בעלי קיבולת גבוהה עם מתח מ-450V עד 1200V או אפילו יותר עם סרט OPP דק במיוחד (הדק ביותר 2.7 מיקרומטר, אפילו 2.4 מיקרומטר) באמצעות טכנולוגיית אידוי סרט בטיחות.מצד שני, השילוב של קבלים DC-Link עם פס האוטובוס הופך את עיצוב מודול המהפך לקומפקטי יותר ומפחית מאוד את השראות התועה של המעגל כדי לייעל את המעגל.