لم تتغير المجموعة المتنوعة من أنواع المكثفات كثيرًا خلال السنوات الأخيرة، لكن التطبيقات تغيرت بالتأكيد. في هذه المقالة، سنلقي نظرة على كيفية استخدام المكثفات في إلكترونيات الطاقة ومقارنة التقنيات المتاحة. المكثفات الفيلم تظهر مزاياها في التطبيقات القادمة مثل المركبات الكهربائية ، تحويل الطاقة البديلة للطاقة، و العاكسون في محركات الأقراص . ومع ذلك، لا تزال التحليلات الكهربية للألمنيوم (Al) مهمة عندما تكون كثافة تخزين الطاقة هي المطلب الرئيسي.
آل كهربائيا أو مكثف الفيلم؟
من السهل رفضه آل التحليل الكهربائي مثل تكنولوجيا الأمس، لكن الفارق في الأداء بينها وبين بديل الفيلم ليس واضحًا دائمًا. من حيث كثافة الطاقة المخزنة، أي جول/سنتيمتر مكعب، فإنها لا تزال متقدمة على المكثفات الغشائية القياسية، على الرغم من وجود متغيرات غريبة مثل المجزأة عالية التبلور مادة البولي بروبيلين المعدنية قابلة للمقارنة. أيضًا، تحافظ التحليلات الكهربية Al على تصنيف تيارها المموج عند درجات حرارة أعلى بشكل أفضل من مكثفات الأفلام المنافسة. حتى مشكلات الحياة والموثوقية الملموسة ليست مهمة جدًا عندما يتم تخفيض مستوى التحليل الكهربائي بشكل مناسب. لا تزال التحليلات الكهربية جذابة للغاية حيث يكون من الضروري المرور عبر ناقل التيار المستمر عند انقطاع التيار الكهربائي دون الحاجة إلى بطارية احتياطية. على سبيل المثال، عندما تكون التكلفة عاملاً دافعًا، فمن الصعب بشكل خاص توقع أن تحل المكثفات الغشائية محل المكثفات السائبة في إمدادات الطاقة السلعية غير المتصلة بالإنترنت.
الفيلم يفوز بعدة طرق
تتمتع المكثفات الفيلمية بالعديد من المزايا المهمة مقارنة بالمكثفات الأخرى: يمكن أن تكون تقييمات المقاومة التسلسلية المكافئة (ESR) أقل بشكل كبير، مما يؤدي إلى معالجة أفضل بكثير للتيار المموج. تعتبر معدلات ارتفاع الجهد أيضًا متفوقة، وربما الأهم من ذلك، أن مكثفات الأفلام يمكن أن تشفى ذاتيًا
الشكل 1 خصائص فيلم مكثف.
الشكل 2 تباين DF مع درجة حرارة فيلم البولي بروبيلين.
بعد الإجهاد، مما يؤدي إلى تحسين موثوقية النظام وعمره. ومع ذلك، فإن القدرة على الشفاء الذاتي تعتمد على مستوى التوتر، وقيم الذروة، ومعدل التكرار. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال من الممكن حدوث فشل كارثي في نهاية المطاف بسبب ترسب الكربون والأضرار الجانبية الناجمة عن قوس البلازما المتولد أثناء إزالة العيوب. تتوافق هذه الخصائص مع التطبيقات الحديثة لتحويل الطاقة في السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة البديلة حيث لا يوجد توقف مطلوب عند انقطاع التيار الكهربائي أو بين قمم تموج تردد الخط. الشرط الرئيسي هو القدرة على مصدر وإغراق تيارات تموج عالية التردد قد تصل إلى مئات إن لم يكن آلاف الأمبيرات مع الحفاظ على خسائر مقبولة وموثوقية عالية. هناك أيضًا حركة نحو جهد ناقل أعلى لتقليل الخسائر الأومية عند مستويات طاقة معينة. وهذا يعني توصيل سلسلة من التحليلات الكهربائية Al مع أقصى معدل جهد متأصل لها يبلغ حوالي 550 فولت. لتجنب اختلال توازن الجهد، قد يكون من الضروري اختيار مكثفات باهظة الثمن ذات قيم متطابقة واستخدام مقاومات موازنة الجهد مع الخسائر والتكلفة المرتبطة بها.
مسألة الموثوقية ليست واضحة، على الرغم من أنه في ظل ظروف خاضعة للرقابة، يمكن مقارنة التحليل الكهربائي بفيلم الطاقة، مما يعني أنها ستتحمل عادةً 20٪ فقط من الجهد الزائد قبل حدوث الضرر. في المقابل، يمكن للمكثفات الفيلمية أن تتحمل 100% من الجهد الزائد لفترات محدودة. عند الفشل، يمكن أن يحدث قصور في التحليل الكهربائي وينفجر، مما يؤدي إلى تدمير مجموعة كاملة من المكونات المتسلسلة/المتوازية مع تفريغ إلكتروليت خطير. يمكن للمكثفات السينمائية أيضًا أن تشفى ذاتيًا، لكن موثوقية النظام في ظل الظروف الحقيقية للضغط العرضي يمكن أن تكون مختلفة تمامًا بين النوعين. كما هو الحال مع جميع المكونات، يمكن لمستويات الرطوبة العالية أن تؤدي إلى تدهور أداء مكثف الفيلم، وللحصول على أفضل موثوقية، يجب التحكم في ذلك جيدًا. هناك تمييز عملي آخر وهو سهولة تركيب مكثفات الأفلام - فهي متوفرة في حاويات مربعة مستطيلة معزولة وذات كفاءة حجمية مع مجموعة متنوعة من خيارات التوصيل الكهربائي، من أطراف التوصيل اللولبية إلى العروات، والوصلات، وقضبان الناقل، مقارنة بالعلب المعدنية المستديرة النموذجية من التحليل الكهربائي. يوفر الفيلم العازل غير القطبي تركيبًا مقاومًا للعكس ويسمح بالاستخدام في التطبيقات التي يتم فيها تطبيق التيار المتردد، كما هو الحال في تصفية إخراج العاكس.
بالطبع، هناك العديد من الأنواع المتاحة من مكثفات الفيلم العازلة، ويعطي الشكل 1 ملخصًا لأدائها المقارن [1]. يعتبر فيلم البولي بروبيلين هو الفائز الإجمالي عندما تكون الخسائر والموثوقية تحت الضغط هي الاعتبارات الرئيسية بسبب انخفاض DF وانهيار العزل الكهربائي العالي لكل وحدة سمك. يمكن أن تكون الأفلام الأخرى أفضل من حيث تصنيف درجة الحرارة والسعة/الحجم، مع ثوابت عازلة أعلى وتوافر غشاء أرق، وفي الفولتية المنخفضة، لا يزال البوليستر قيد الاستخدام الشائع. يعد DF مهمًا بشكل خاص ويتم تعريفه على أنه ESR/مفاعلة سعوية، وعادةً ما يتم تحديده عند 1 كيلو هرتز و25 درجة مئوية. يشير انخفاض DF بالمقارنة مع العوازل الكهربائية الأخرى إلى تسخين أقل وهو وسيلة لمقارنة الخسائر لكل ميكروفاراد. يختلف DF قليلاً باختلاف التردد ودرجة الحرارة، لكن البولي بروبيلين يعمل بشكل أفضل. يوضح الشكلان 2 و3 المؤامرات النموذجية.
هناك نوعان رئيسيان من هياكل مكثفات الأفلام التي تستخدم الرقائق والمعدنة المترسبة، كما هو موضح في الشكل 4. تُستخدم الرقائق المعدنية التي يبلغ سمكها حوالي 5 نانومتر عادةً بين الطبقات العازلة لقدرتها العالية على تيار الذروة، ولكنها لا تعمل ذاتيًا -الشفاء بعد الإجهاد الدائم. يتم تشكيل الفيلم المعدني عن طريق الفراغ وعن طريق ترسيب Al عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية على الفيلم بسمك حوالي 20-50 نانومتر مع درجة حرارة الفيلم تتراوح من -25 إلى -35 درجة مئوية،
الشكل 3 تباين DF مع التردد لفيلم البولي بروبيلين.
الشكل 4 بناء مكثف الفيلم
على الرغم من إمكانية استخدام سبائك الزنك (Zn) والزنك أيضًا. تمكن هذه العملية من الشفاء الذاتي، حيث يؤدي الانهيار في أي نقطة في جميع أنحاء العازل إلى تسخين مكثف موضعي، ربما يصل إلى 6000 درجة مئوية، مما يتسبب في تكوين البلازما. يتم تبخير المعدنة حول قناة الانهيار، مع التمدد السريع للبلازما الذي يطفئ التفريغ، مما يعزل الخلل ويترك المكثف يعمل بكامل طاقته. إن تقليل السعة هو الحد الأدنى ولكنه إضافي بمرور الوقت، مما يجعله مؤشرًا مفيدًا لعمر المكون.
إحدى الطرق الشائعة لمزيد من تعزيز الموثوقية هي تقسيم عملية المعدنة على الفيلم إلى مناطق، ربما الملايين، مع بوابات ضيقة تغذي التيار في المقاطع وتعمل كمصهرات للأحمال الزائدة الإجمالية. يؤدي تضييق إجمالي مسار التيار إلى عملية المعدنة إلى تقليل التعامل مع تيار الذروة للمكون، لكن هامش الأمان الإضافي المقدم يسمح بتقييم المكثف بشكل مفيد عند الفولتية الأعلى.
يتمتع البولي بروبيلين الحديث بقوة عازلة تبلغ حوالي 650 فولت/ميكرومتر، وهو متوفر بسماكة تبلغ حوالي 1.9 ميكرومتر وما فوق، لذلك يمكن الوصول بشكل روتيني إلى معدلات جهد مكثف تصل إلى عدة كيلوفولت، مع تصنيف بعض الأجزاء بـ 100 كيلوفولت. ومع ذلك، عند الفولتية الأعلى، تصبح ظاهرة التفريغ الجزئي (PD)، المعروفة أيضًا باسم تفريغ الإكليل، عاملاً مؤثرًا. PD هو انهيار الجهد العالي للفراغات الدقيقة في الجزء الأكبر من المادة أو في فجوات الهواء بين طبقات المادة، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي جزئي لمسار العزل الإجمالي. يترك PD (تفريغ الإكليل) أثرًا طفيفًا من الكربون؛ يكون التأثير الأولي غير ملحوظ ولكنه يمكن أن يتراكم بمرور الوقت حتى يحدث انهيار جسيم ومفاجئ للعزل الضعيف الناتج عن الكربون. يتم وصف التأثير من خلال منحنى باشن، الموضح في الشكل 5، وله جهد بداية وجهد انطفاء مميز. يوضح الشكل مثالين لشدة المجال. من المرجح أن تؤدي النقاط الموجودة فوق منحنى باشن، A، إلى انهيار PD.
الشكل 5 منحنى باشن ومثال لشدة المجال الكهربائي.
ولمواجهة هذا التأثير، يتم تشريب المكثفات ذات الجهد العالي جدًا بالزيت لاستبعاد الهواء من واجهات الطبقة. تميل الأنواع ذات الجهد المنخفض إلى أن تكون مملوءة بالراتنج، مما يساعد أيضًا في المتانة الميكانيكية. الحل الآخر هو تشكيل مكثفات متسلسلة في أغلفة مفردة، مما يقلل بشكل فعال من انخفاض الجهد عبر كل منها إلى أقل بكثير من جهد البداية. PD هو تأثير ناتج عن شدة المجال الكهربائي، لذا فإن زيادة سمك العزل الكهربائي لتقليل تدرج الجهد أمر ممكن دائمًا ولكنه يزيد الحجم الإجمالي للمكثف. هناك تصميمات مكثفة تجمع بين الرقائق والمعدنة لتوفير حل وسط بين قدرة ذروة التيار والشفاء الذاتي. يمكن أيضًا تصنيف المعدنة من حافة المكثف بحيث توفر المادة السميكة عند الحواف معالجة أفضل للتيار وإنهاء أكثر قوة عن طريق اللحام أو اللحام، ويمكن أن يكون التصنيف مستمرًا أو متدرجًا.
ربما يكون من المفيد الرجوع خطوة إلى الوراء وملاحظة مدى فائدة استخدام المكثفات الإلكتروليتية. أحد الأمثلة على ذلك هو محول غير متصل بكفاءة 90%، بقدرة 1 كيلو وات مع واجهة أمامية مصححة لعامل الطاقة، ويحتاج إلى مسافة 20 مللي ثانية، كما هو موضح في الشكل 6. وعادةً ما يحتوي على ناقل تيار مباشر داخلي مزود بـ الجهد الاسمي، Vn، يبلغ 400 فولت وجهد التسرب، Vd، يبلغ 300 فولت، والذي أدناه يتم فقدان تنظيم الإخراج.
يوفر المكثف الكبير C1 الطاقة للحفاظ على طاقة خرج ثابتة خلال فترة الركوب المحددة حيث ينخفض جهد الناقل من 400 إلى 300 فولت بعد انقطاع التيار. رياضياً، Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) أو C=2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) =634nF عند تصنيف 450 فولت.
لو المكثفات الالكتروليتية إذا تم استخدامهما، فإن المعادلة تؤدي إلى حجم مطلوب يبلغ حوالي 52 سم 3 (أي 3 في 3)، على سبيل المثال، إذا كان TDK-EPCOS يتم استخدام سلسلة B43508. في المقابل، قد تكون المكثفات الفيلمية كبيرة بشكل غير عملي، وتتطلب ربما 15 مكثفًا على التوازي بحجم إجمالي قدره 1500 سم3 (أي 91 في 3) إذا تم استخدام سلسلة TDK-ابكوس B32678. الفرق واضح، لكن الاختيار سيتغير إذا احتاج المكثف للتحكم في جهد التموج على خط التيار المستمر. لنأخذ مثالاً مشابهًا حيث يكون جهد الناقل 400 فولت من البطارية، وبالتالي فإن الإيقاف ليس مطلوبًا. ومع ذلك، هناك حاجة لتقليل تأثير التموج إلى، على سبيل المثال، جذر متوسط تربيع 4 فولت (rms) من 80 أمبير نبضات تيار عالية التردد مأخوذة بواسطة محول تيار عند 20 كيلو هرتز. يمكن أن يكون هذا أحد تطبيقات المركبات الكهربائية، ويمكن تقريب السعة المطلوبة من C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF عند تصنيف 450 فولت.
الشكل 6 مكثف لركوب من خلال (تصمد). HVDC: تيار مستمر عالي الجهد.
قد يكون للتحليل الكهربائي عند 180 ميكروفاراد، 450 فولت معدل تيار مموج يبلغ حوالي 3.5 أمبير تقريبًا عند 60 درجة مئوية، بما في ذلك تصحيح التردد (سلسلة EPCOS B43508). وبالتالي، بالنسبة لـ 80 أمبير، ستكون هناك حاجة إلى 23 مكثفًا على التوازي، مما ينتج عنه 4140 ميكروفاراد غير ضروري بحجم إجمالي قدره 1200 سم مكعب (أي 73 في 3). ويتوافق هذا مع تصنيف التيار المموج الذي يبلغ 20 مللي أمبير/ميكروفاراد والذي يتم ذكره أحيانًا للتحليلات الكهربائية. إذا تم أخذ المكثفات الفيلمية بعين الاعتبار، فستجد الآن أربعة مكثفات فقط موصولة بالتوازي من EPCOS B32678 تعطي السلسلة معدل تيار مموج 132 أمبير في حجم 402 سم 3 (أي 24.5 في 3 ). إذا كانت درجة الحرارة مقيدة، على سبيل المثال، بأقل من 70 درجة مئوية، فلا يزال من الممكن اختيار حجم علبة أصغر. حتى لو اخترنا التحليل الكهربائي لأسباب أخرى، فإن السعة الزائدة يمكن أن تسبب مشاكل أخرى، مثل التحكم في الطاقة في تيار التدفق. وبطبيعة الحال، إذا كان من الممكن حدوث جهد زائد عابر، فإن المكثفات الغشائية ستكون أكثر قوة في التطبيق. مثال على ذلك سيكون في الجر الخفيف، حيث يؤدي الاتصال المتقطع إلى سلسال إلى زيادة الجهد على اتصال رابط التيار المستمر.
هذا المثال نموذجي للعديد من البيئات اليوم، كما هو الحال في أنظمة إمدادات الطاقة غير المنقطعة، وطاقة الرياح والطاقة الشمسية، واللحام، والمحولات المرتبطة بالشبكة. يمكن تلخيص فروق التكلفة بين الفيلم والتحليل الكهربائي في الأرقام المنشورة في عام 2013 [2]. يمكن العثور على التكاليف النموذجية لحافلة التيار المستمر من 440 فولت تيار متردد في الجدول 1.
التطبيقات الأخرى مخصصة لفصل و دوائر سنوبر في المحولات أو العاكسون. هنا، يجب استخدام هيكل الفيلم/الرقائق إذا سمح الحجم بذلك، حيث تتطلب الأنواع المعدنية خطوات تصميم وتصنيع خاصة. كفصل، يتم وضع المكثف عبر ناقل التيار المستمر لتوفير مسار حث منخفض لتدوير التيارات عالية التردد، عادةً 1 ميكروفاراد لكل 100 أمبير. بدون المكثف، يدور التيار عبر حلقات ذات حث أعلى، مما يسبب جهدًا عابرًا (Vtr) وفقًا لما يلي: Vtr =-Ldi/dt.
مع إمكانية حدوث تغيرات حالية تبلغ 1000 أمبير/ثانية، يمكن لبضعة نانونات من الحث أن تنتج جهودًا كبيرة. يمكن أن تحتوي آثار لوحات الدوائر المطبوعة على تحريض يبلغ حوالي 1 nH/mm، مما يوفر بالتالي 1 Vtr/mm تقريبًا في هذه الحالة. وبالتالي، من المهم أن تكون الاتصالات قصيرة قدر الإمكان. للتحكم في dV/dt عبر المفاتيح، يتم وضع المكثف وشبكة المقاوم/الصمام الثنائي بالتوازي مع IGBT أو MOSFET (الشكل 7).
يؤدي هذا إلى إبطاء الرنين، والتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، ويمنع التبديل الزائف بسبب ارتفاع الصوت
الشكل 7 التبديل ازدراء. الشكل 8 مكثفات الفيلم كقمع EMI. الشكل 9 مكثفات الفيلم في تصفية EMC بمحرك كهربائي.
dV/dt، خاصة في IGBTs. غالبًا ما تكون نقطة البداية هي جعل سعة جهاز التحكم تقريبًا ضعف مجموع سعة خرج المفتاح وسعة التركيب، ثم يتم اختيار المقاوم لتخميد أي رنين بشكل حاسم. تمت صياغة المزيد من أساليب التصميم الأمثل.
غالبًا ما يتم استخدام مكثفات البولي بروبيلين ذات التصنيف الآمن عبر خطوط الكهرباء لتقليل الوضع التفاضلي EMI (الشكل 8). إن قدرتهم على تحمل الجهد الزائد العابر والشفاء الذاتي أمر بالغ الأهمية. يتم تصنيف المكثفات الموجودة في هذه المواضع على أنها X1 أو X2، والتي يمكنها تحمل 4 و 2.5 كيلو فولت، على التوالي. غالبًا ما تكون القيم المستخدمة في الميكروفاراد لتحقيق التوافق مع معايير التوافق الكهرومغناطيسي النموذجي (EMC) عند مستويات الطاقة العالية. يمكن أيضًا استخدام مكثفات الفيلم من النوع Y في مواضع خط إلى الأرض لتخفيف ضوضاء الوضع الشائع حيث تكون قيمة السعة ca محدودة بسبب اعتبارات تيار التسرب (الشكل 8). الإصداران Y1 وY2 متاحان لتصنيفات عابرة 8 و5 كيلو فولت، على التوالي. محاثات اتصال منخفضة للمكثفات الفيلمية تساعد أيضًا في الحفاظ على الأصداء الذاتية عالية.
التطبيق المتزايد للمكثفات غير المستقطبة هو تشكيل مرشحات تمرير منخفض مع محاثات متسلسلة لتخفيف التوافقيات عالية التردد في خرج التيار المتردد لمحركات الأقراص والعاكسات (الشكل 9). غالبًا ما تستخدم مكثفات البولي بروبيلين لموثوقيتها، وتصنيف تيار التموج العالي، والكفاءة الحجمية الجيدة في التطبيق، وغالبًا ما يتم تجميع المحاثات والمكثفات معًا في وحدة واحدة. غالبًا ما تكون الأحمال مثل المحركات بعيدة عن وحدة القيادة، ويتم استخدام المرشحات لتمكين الأنظمة من تلبية متطلبات EMC وتقليل الضغط على الكابلات والمحركات من مستويات dV/dt المفرطة.
