小尺寸低電感電解電容器提高工業設備性能

作者 : Suzana Jankuloska,KEMET鋁電解產品經理

針對低內部電感進行最佳化的電解電容器有助於降低工業電源轉換應用的成本,同時提高效率、性能和可靠性...

在工業4.0和工業物聯網(IIoT)等新興產業趨勢的推動下,製造和裝配過程自動化繼續取得日益普遍的採納,而低電感電解電容器有助於在機器人和其他工業設備中降低成本,以及提升性能。

聚丙烯薄膜和電解電容器都適用於大功率工業應用中的大容量平滑和去耦等任務,這些包括交換式電源(SMPS)的輸出以及穩定變頻馬達驅動器和固定頻率發電機的直流(DC)鏈路等。相對於其他電容器技術,電解電容器在小尺寸下仍可提供較高電容,且成本較低,並且通常在高達約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元件時會產生電壓尖峰。專為低寄生電感而設計的電容器可以減小這些電壓峰值的振幅,從而讓設計人員使用較低電壓等級的功率半導體元件。此外,採用低電感元件還可以減少每組所需的電容器數量,從而有助於降低總體成本,並減小尺寸和重量。

電容器的寄生電感

一個理想電容器能夠將所有儲存的能量瞬間傳輸到負載,而實際應用中電容器則不同,由於具有不想要的寄生元件,而這些元件可以視為與電容串聯的等效電感和電阻(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,可能損壞連接到電路的敏感元件。此外,雜散電感和元件電容之間的相互作用也會導致雜訊,從而影響電路的穩定性和功率品質。

一般來說,電感傾向於阻礙電流的變化,其影響的大小取決於頻率。容抗隨頻率升高降低,而感抗則隨頻率升高而趨於增加。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,產生抵消效應,使總電抗為零,電容器的阻抗完全由ESR引起:

由於

在自諧振頻率處,XL=XC,自諧振頻率由下式決定:

在自諧振頻率以下,該元件表現為一個電容器,並且阻抗隨著頻率的增加而趨於減小。隨著頻率的增加,阻抗特性開始偏離並在自諧振頻率處達到最小值。高於該頻率,電感特性佔主導地位,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(bulk capacitance)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的影響。此外,工業逆變器驅動等DC鏈路應用需要低ESL電容器,以最大限度地減少自發熱,同時增強對功率元件的保護。標準電解DC鏈路電容器的ESL以及相關連接、電纜和其它元元件一起產生電壓尖峰,需要在每個逆變器相橋臂(phase leg)上放置一個緩衝器。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衝電路的程度。

內部電容設計

影響較大型螺釘端子電解電容器ESL的主要內部元件包括板接端子(deck terminal)、內部連接片和繞組,如1所示。透過最佳化內部佈局,可以有效降低ESL,消除電容器電流產生的所有磁場,這可以透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來實現。1比較了標準電容器與低電感型號的內部佈局,說明了重新設計這些特性如何將電感降低多達40%。

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。

最佳化端子設計

2所示,減小端子之間的距離會產生電感消除效應。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。這種設計還可利用多個並聯的接線片。

Kemet figure 2

2:降低端子高度並使其間距更近,以及帶來的端蓋設計相關變化。

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振幅(參見3),而電解電容器是其中一個影響因素。從3可見,由陡峭邊緣脈衝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勢,其中包括允許設計人員採用較低額定電壓的功率半導體元件,從而能夠降低成本以及提高功率密度。此外,電容器組的構建可以使用數量更少的電容器來實現相同的性能,從而降低變頻器的成本、重量以及對空間的要求。

Kemet capacitors figure 4

圖3:電壓瞬態示例,這可以經由選擇更好的電容器來緩解瞬態影響(使用具有更好ESL特性的元件)。

結論

降低電源電容器的ESL有助於減少工業自動化、機器人、電源管理和智慧工廠設備等應用的物料清單。由於較低的ESL會提高電容器的自諧振頻率,從而能夠在更高開關頻率的電路中使用,並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元件。通過幫助降低雜訊,較低的ESL也有助於提高SMPS輸出的功率品質。

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

本文原刊登於EDN China網站,Franklin編譯

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