השבוע נמשיך עם המאמר של השבוע שעבר.

1.2 קבלים אלקטרוליטיים

החומר הדיאלקטרי המשמש בקבלים אלקטרוליטיים הוא תחמוצת אלומיניום שנוצרת כתוצאה מקורוזיה 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 הקיבול (קיבול סגולי) של קבלים אלקטרוליטיים מכיוון שיש לחרוט את נייר האלומיניום כדי ליצור שכבת תחמוצת אלומיניום כדי להשיג מאפייני אחסון אנרגיה טובים, והמשטח ייצור משטחים לא אחידים רבים. מצד שני, ההתנגדות של האלקטרוליט 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 אלה, קבלים אלקטרוליטיים מתוכננים למתח מקסימלי של 450 וולט טיפוסי (יש יצרנים בודדים שמתכננים 600 וולט). לכן, כדי להשיג מתחים גבוהים יותר, יש צורך להשיג אותם על ידי חיבור קבלים בטור. עם זאת, בגלל ההבדל בהתנגדות הבידוד של כל קבל אלקטרוליטי, יש לחבר נגד לכל קבל על מנת לאזן את המתח של כל קבל המחובר בטור. בנוסף, קבלים אלקטרוליטיים הם התקנים מקוטבים, וכאשר המתח ההפוך המופעל עולה על פי 1.5 Un, מתרחשת תגובה אלקטרוכימית. כאשר המתח ההפוך המופעל ארוך מספיק, הקבל יישפך החוצה. על מנת למנוע תופעה זו, יש לחבר דיודה ליד כל קבל בעת השימוש בו. בנוסף, עמידות נחשולי המתח של קבלים אלקטרוליטיים היא בדרך כלל פי 1.15 Un, וקבלים טובים יכולים להגיע לפי 1.2 Un. לכן, על המתכננים לשקול לא רק את מתח העבודה במצב יציב אלא גם את מתח הנחשולים בעת השימוש בהם. לסיכום, ניתן לשרטט את טבלת ההשוואה הבאה בין קבלי סרט לקבלי אלקטרוליטיים, ראה איור 1.

2. ניתוח יישומים

קבלי DC-Link כמסננים דורשים עיצובים של זרם גבוה וקיבולת גבוהה. דוגמה לכך היא מערכת הנעת המנוע הראשית של רכב אנרגיה חדש כפי שצוין באיור 3. ביישום זה, הקבל ממלא תפקיד של ניתוק והמעגל כולל זרם פעולה גבוה. לקבל DC-Link בעל הסרט יש יתרון בכך שהוא מסוגל לעמוד בזרמי פעולה גדולים (Irms). קחו לדוגמה פרמטרים של רכב אנרגיה חדש של 50~60 קילוואט, הפרמטרים הם כדלקמן: מתח פעולה 330 וולט DC, מתח אדוות 10 וולט rms, זרם אדוות 150 ארמס @ 10 קילו-הרץ.

לאחר מכן, קיבולת החשמל המינימלית מחושבת כך:

זה קל ליישום עבור תכנון קבלי סרט. בהנחה שמשתמשים בקבלים אלקטרוליטיים, אם לוקחים בחשבון 20mA/μF, הקיבול המינימלי של הקבלים האלקטרוליטיים מחושב כך שיעמוד בפרמטרים הנ"ל כדלקמן:

זה דורש מספר קבלים אלקטרוליטיים המחוברים במקביל כדי להשיג קיבול זה.

ביישומי מתח יתר, כגון רכבת קלה, אוטובוס חשמלי, רכבת תחתית וכו'. בהתחשב בכך שכוחות אלה מחוברים לפנטוגרף של הקטר דרך הפנטוגרף, המגע בין הפנטוגרף לפנטוגרף הוא לסירוגין במהלך נסיעת התחבורה. כאשר השניים אינם במגע, אספקת החשמל נתמכת על ידי קבל דיו DC-L, וכאשר המגע מתחדש, נוצר מתח יתר. המקרה הגרוע ביותר הוא פריקה מלאה של קבל ה-DC-Link כאשר הוא מנותק, כאשר מתח הפריקה שווה למתח הפנטוגרף, וכאשר המגע מתחדש, מתח היתר המתקבל הוא כמעט פי שניים ממתח ההפעלה המדורג Un. עבור קבלי סרט, ניתן לטפל בקבל DC-Link ללא שיקול נוסף. אם משתמשים בקבלים אלקטרוליטיים, מתח היתר הוא 1.2Un. קחו לדוגמה את מטרו שנגחאי. Un=1500Vdc, עבור קבל אלקטרוליטי יש לקחת בחשבון את המתח:

לאחר מכן יש לחבר את ששת הקבלים של 450 וולט בטור. אם משתמשים בתכנון קבל סרט, ניתן להשיג בקלות מתח של 600 וולט ישר עד 2000 וולט ישר או אפילו 3000 וולט ישר. בנוסף, האנרגיה במקרה של פריקה מלאה של הקבל יוצרת פריקת קצר חשמלי בין שתי האלקטרודות, ויוצרת זרם כניסה גדול דרך קבל ה-DC-Link, שבדרך כלל שונה עבור קבלים אלקטרוליטיים כדי לעמוד בדרישות.

בנוסף, בהשוואה לקבלים אלקטרוליטיים, ניתן לתכנן קבלי סרט DC-Link להשגת ESR נמוך מאוד (בדרך כלל מתחת ל-10mΩ, ואף נמוך יותר מ-<1mΩ) והשראות עצמית LS (בדרך כלל מתחת ל-100nH, ובמקרים מסוימים מתחת ל-10 או 20nH). זה מאפשר להתקין את קבל הסרט DC-Link ישירות לתוך מודול ה-IGBT כאשר הוא מיושם, מה שמאפשר לשלב את פס האספקה ​​לתוך קבל הסרט DC-Link, ובכך לבטל את הצורך בקבל סופג IGBT ייעודי בעת שימוש בקבלי סרט, וחוסך למתכנן סכום כסף משמעותי. איור 2 ו-3 מציגים את המפרטים הטכניים של חלק ממוצרי C3A ו-C3B.

3. סיכום

בימים הראשונים, קבלי DC-Link היו בעיקר קבלים אלקטרוליטיים עקב שיקולי עלות וגודל.

עם זאת, קבלים אלקטרוליטיים מושפעים מיכולת עמידה במתח ובזרם (ESR גבוה בהרבה בהשוואה לקבלי סרט), ולכן יש צורך לחבר מספר קבלים אלקטרוליטיים בטור ובמקביל על מנת להשיג קיבולת גדולה ולעמוד בדרישות השימוש במתח גבוה. בנוסף, בהתחשב בהתנדפות החומר האלקטרוליטי, יש להחליפו באופן קבוע. יישומי אנרגיה חדשים דורשים בדרך כלל חיי מוצר של 15 שנים, ולכן יש להחליפו 2 עד 3 פעמים במהלך תקופה זו. לכן, יש עלות ואי נוחות ניכרים בשירות לאחר המכירה של המכונה כולה. עם פיתוח טכנולוגיית ציפוי המתכת וטכנולוגיית קבלי הסרט, ניתן היה לייצר קבלי סינון DC בעלי קיבולת גבוהה עם מתח מ-450 וולט עד 1200 וולט או אפילו גבוה יותר עם סרט OPP דק במיוחד (2.7 מיקרומטר הדק ביותר, אפילו 2.4 מיקרומטר) באמצעות טכנולוגיית אידוי סרט בטיחות. מצד שני, שילוב קבלי DC-Link עם פס האסיפה הופך את עיצוב מודול הממיר לקומפקטי יותר ומפחית מאוד את ההשראות התועים של המעגל כדי לייעל את המעגל.