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低电感电解电容器尺寸进一步缩小,同时提高工业自动化性能

2022-11-16 10:32:01 KEMET公司铝电解产品经理 Suzana Jankuloska 阅读:
针对低内部电感进行优化的电解电容器有助于降低工业电源转换应用的成本,同时提高效率、性能和可靠性

在工业4.0和工业物联网(IIoT)等新兴行业趋势的推动下,制造和装配过程自动化继续得到越来越普遍地采纳,而低电感电解电容器有助于在机器人和其他工业设备中降低成本,提升性能。e1Mednc

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聚丙烯薄膜和电解电容器都适用于大功率工业应用中的大容量平滑和去耦等任务,这些包括开关模式电源的输出以及稳定变频电机驱动器和固定频率发电机的直流链路等。相对于其他电容器技术,电解电容器在小尺寸下仍可提供较高电容,且成本较低,并且通常在高达约600V的应用中更受欢迎。e1Mednc

每个真正的电容器都会有相应的电感,当高频纹波电流通过器件时会产生电压尖峰。专为低寄生电感而设计的电容器可以减小这些电压峰值的幅度,从而允许设计人员使用较低电压等级的功率半导体器件。此外,采用低电感器件还可以减少每组所需的电容器数量,从而有助于降低总体成本,并减小尺寸和重量。e1Mednc

电容器的寄生电感

一个理想电容器能够将所有存储的能量瞬间传输到负载,而实际应用中电容器则不同,由于具有不想要的寄生元件,而这些元件可以视为与电容串联的等效电感和电阻(ESL和ESR)。不需要的电感会造成包括导致感应电压尖峰等影响,可能会损坏连接到电路的敏感元件。此外,杂散电感和器件电容之间的相互作用也会导致噪声,从而影响电路稳定性和功率质量。e1Mednc

一般来说,电感倾向于阻碍电流的变化,其影响的大小取决于频率。容抗随频率升高降低,而感抗则随频率升高而趋于增大。这两种电抗在电容器的自谐振频率处变得大小相等,但相位相反,产生抵消效应,使总电抗为零,电容器的阻抗完全由ESR引起:e1Mednc

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在自谐振频率处,XL=XC,自谐振频率由下式决定:e1Mednc

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在自谐振频率以下,该元件表现为一个电容器,并且阻抗随着频率的增加而趋于减小。随着频率的增加,阻抗特性开始偏离并在自谐振频率处达到最小值。高于该频率,电感特性占主导地位,阻抗增加。降低电容器的ESL会提高自谐振频率。e1Mednc

低电感电容器需求

大容量电容(bulk capacitance)是能够从低电感电解电容器中受益的一个应用,它通常会受到高频开关的影响。此外,工业逆变器驱动等直流链路应用需要低ESL电容器,以最大限度地减少自发热,同时增强对功率器件的保护。标准电解直流链路电容器的ESL以及相关连接、电缆和其它元器件一起产生电压尖峰,需要在每个逆变器相桥臂(phase leg)上放置一个缓冲器。降低电容器本身的ESL可以使总体电感降低,甚至达到可以完全消除每个逆变器相桥臂缓冲电路的程度。e1Mednc

内部电容设计

影响较大型螺钉端子电解电容器ESL的主要内部元件包括板接端子(deck terminal)、内部连接片和绕组,如图1所示。通过优化内部布局,可以有效降低ESL,消除电容器电流产生的所有磁场,这可以通过诸如减小绕组元件和端子之间的距离,以及减小接线片之间的距离等技术来实现。图1比较了标准电容器与低电感型号的内部布局,说明了重新设计这些特性如何将电感降低多达40%。e1Mednc

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图1:影响电容器电感的因素,以及在高压铝电解电容螺丝端子中将ESL降低多达40%的效果。e1Mednc

优化端子设计

如图2所示,减小端子之间的距离会产生电感消除效应。此外,也需要降低端子的高度以缩短总导体长度。端子下方若有较大表面积,能够允许内部连接片的间距更小,以最大限度地改善电感消除效果。这种设计还可利用多个并联的接线片。e1Mednc

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图2:降低端子高度并使其间距更近,以及带来的端盖设计相关变化。e1Mednc

低电感电容器进展

降低整个电路的电感可以降低电源线上电压尖峰幅度(参见图3),而电解电容器是其中一个影响因素。从图3可见,由陡峭边缘脉冲引起的峰值降低最为显著。降低电力线上的峰值电压具有多种优势,其中包括允许设计人员采用较低额定电压的功率半导体器件,从而能够降低成本以及提高功率密度。此外,电容器组的构建可以使用数量更少的电容器来实现相同的性能,从而降低变频器的成本、重量以及对空间的要求。e1Mednc

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图3:电压瞬态示例,这可以通过选择更好的电容器来缓解瞬态影响(使用具有更好ESL特性的元件)。e1Mednc

结论

降低电源电容器的ESL有助于减少工业自动化、机器人、电源管理和智能工厂设备等应用的物料清单。由于较低的ESL会提高电容器的自谐振频率,从而能够在更高开关频率的电路中使用,并可以降低峰值电压尖峰,同时允许使用额定值较低的功率半导体器件。通过帮助降低噪声,较低的ESL也有助于提高开关模式电源输出的功率质量。e1Mednc

低ESL电解电容器体现了许多设计创新,其中包括减少互连长度,利用电感消除技术等等。在较高电压下,ESL降低的比例可实现最大化,目前测量到的电容器ESL改善可高达40%。e1Mednc

责编:Franklin
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