DC-linkkikondensaattorin ei tarvitse olla tehomuunninratkaisun heikko lenkki

DC (tasavirta) -linkkikondensaattorit ovat kriittinen komponentti monissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen (EV) moottorikäyttöjen kolmivaihemuuntimissa, aurinkokennojen ja tuulivoimalaitosten inverttereissä, teollisuuden moottorikäytöissä, ajoneuvoihin asennettavissa latureissa sekä lääketieteellisten laitteiden ja teollisuuslaitteiden virtalähteissä. Uusimmista kehityskuluista on tärkeää pysyä selvillä. Huonosti toteutettuna DC-linkkikondensaattori voi olla heikko lenkki, joka laskee energiatiheyttä ja heikentää luotettavuutta.

Suunnittelijoiden kannalta on hankalaa, että toisin kuin nopeasti kehittyvässä puolijohdeteknologiassa, kondensaattoriteknologiassa kehitystahti on hidas ja muutokset saattavat jäädä huomaamatta. Tilannetta monimutkaistaa vielä se, että eri kondensaattoriteknologiat kehittyvät eri nopeuksilla: alumiinielektrolyyttikondensaattorit ovat kypsempää, hitaammin kehittyvää teknologiaa, kun taas kalvokondensaattorit ja monikerroksiset keraamiset kondensaattorit (MLCC) kehittyvät huomattavasti nopeammin. Alumiinielektrolyyttikondensaattorien kapasitanssi tilayksikköä kohden ja energiatiheys ovat tyypillisesti suuremmat kuin kalvokondensaattorien ja MLCC-kondensaattorien, mutta ero ei ole aina täysin selvä.

Aiempia DC-linkkikondensaattorivalintoja kannattaa harkita uudelleen esimerkiksi silloin, kun virtakytkimiä korvataan suurempitaajuisilla laitteilla – vaikkapa korvattaessa IGBT MOSFET-transistorilla tai piilaite WBG (Wide BandGap) -virtakytkimellä. Kaikilla DC-linkkikondensaattoriteknologioilla on omat yksilölliset ominaisuutensa (kuva 1).

Kuva 1: DC-linkkikondensaattorivertailu: tärkeimpien teknologioiden jännite vs. kapasitanssi. TDK:n CeraLink-kondensaattorit ovat DC-linkkikäyttöön optimoituja MLCC-kondensaattoreita. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

DC-linkkikondensaattoreina käytetään tavallisesti alumiinielektrolyyttikondensaattoreita, jotka tarjoavat korkean energiatiheyden edullisella hinnalla. Niitä käytetään usein teollisuuden moottorikäytöissä, keskeytymättömissä virransyötöissä (UPS-laitteet) sekä monenlaisissa kuluttaja-, kaupallisissa ja teollisissa sovelluksissa. Alumiinielektrolyyttikondensaattorien käyttöikä on kuitenkin melko lyhyt, ja laitteiden alhainen toimintataajuus voi estää niiden käytön vaativammissa sovelluksissa.

Sähköautojen ajomoottorien kaltaisissa vaativammissa sovelluksissa käytetään usein kalvokondensaattoreita. Ne ovat luotettavampia ja pystyvät johtamaan suuremman virran. Lisäksi niiden ekvivalenttinen sarjavastus (ESR) on pienempi ja niitä voidaan käyttää alumiinielektrolyyttikondensaattoreita korkeammilla taajuuksilla. Aivan kuten aluminielektrolyyttiversioiden, myös kalvokondensaattorien käyttölämpötila on kuitenkin melko alhainen, noin 105 celsiusastetta (°C).

MLCC on kolmas mahdollinen vaihtoehto. Näiden kondensaattorien RMS-tehollisarvoinen virtaluokitus on suurempi ja ne kestävät muita kondensaattoreita korkeampia lämpötiloja. Halutun energiatiheyden saavuttamiseen voidaan kuitenkin tarvita melko monta MLCC-kondensaattoria, jolloin virran tasaisen jakautumisen takaavan kondensaattoriratkaisun suunnittelu voi olla hankalaa. Lisäksi MLCC-kondensaattorien luotettavuuteen voi liittyä ongelmia, sillä keraaminen dielektrinen materiaali on jäykkää ja mekaaniset kuormat tai lämpöjännitykset voivat aiheuttaa siihen säröjä, jolloin navat menevät oikosulkuun.

”Täydellistä” kondensaattoriteknologiaa, joka sopisi kaikenlaisiin DC-linkkisovelluksiin, ei selvästikään ole olemassa. Tiettyyn projektiin parhaiten sopivan suunnitteluratkaisun löytäminen vaatii teknologisen kehityksen ja tuotekehityksen seuraamista. Käsittelen seuraavaksi eräiden tyypillisten laitetyyppien ominaisuuksia ja kompromisseja. Esimerkkeinä käytän Cornell Dubilier Electronicsin alumiinielektrolyyttikondensaattoreita, KEMET-yhtiön kalvokondensaattoreita ja TDK Corporationin MLCC-kondensaattoreita.

Elektrolyyttikondensaattorit suuren rippelivirran ratkaisuihin

Suuren rippelivirran sovelluksiin sopivat Cornell Dubilier Electronicsin 381LR-sarjan kondensaattorit, joiden nimellisjännite on 200–450 Vdc ja nimelliskapasitanssi 56–2200 mikrofaradia (µF). Ne mahdollistavat vähintään 25 % suuremman rippelivirran kuin tavallinen 105 °C:n pikakiinnitettävä alumiinielektrolyyttikondensaattori (kuva 2). Elektrolyyttiseosten viimeaikaiset edistysaskeleet ovat avainasemassa näiden kondensaattorien alhaisen ESR-arvon ja rippelivirtaominaisuuksien saavuttamisessa Näin olleen moottorikäytöissä, UPS-laitteissa ja muissa suuren rippelivirran sovelluksissa tarvitaan aiempaa pienempi määrä kondensaattoreita.

Kuva 2: 381LR-alumiinielektrolyyttikondensaattorien nimellisjännite on 200–450 volttia DC ja nimelliskapasitanssi 56–2200 µF. (Kuvan lähde: Jeff Shepard, Cornell Dubilier Electronicsin lähdemateriaalin perusteella)

Kalvokondensaattorit autoteollisuuden ajomoottoreihin

Jos järjestelmää käytetään vaativassa ympäristössä, kuten ajoneuvon ajomoottorissa, kalvopohjaiset KEMET C4AK ‑DC-linkkikondensaattorit ovat hyvä ratkaisu. Ne tarjoavat 4 000 tunnin käyttöiän 125 °C:n lämpötilassa ja 1 000 tunnin käyttöiän 135 °C:n lämpötilassa (kuva 3). Nämä laitteet on suunniteltu kompakteja ratkaisuja varten. Niiden matalan radiaalisen muodon ansiosta ne on helppo asentaa piirilevylle. Huippu- ja rippelivirtojen käsittelyyn tarvitaan pienempi määrä rinnakkain asennettuja kondensaattoreita.

Kuva 3: Kalvopohjaiset KEMET C4AK ‑DC-linkkikondensaattorit tarjoavat 4 000 tunnin käyttöiän 125 °C:n lämpötilassa ja 1 000 tunnin käyttöiän 135 °C:n lämpötilassa. (Kuvan lähde: KEMET)

C4AK DC-linkkikondensaattorit on suunniteltu käytettäväksi suurtaajuisten ja suurivirtaisten sähköajoneuvojärjestelmien tehomuuntimissa, aurinkokenno- ja polttokennoinverttereissä, energian tallennusjärjestelmissä, langattomassa tehonsiirrossa ja muissa teollisissa sovelluksissa.

MLCC-kondensaattorit nopeille WBG-puolijohteille

WBG-puolijohteita käytettäessä sopiva ratkaisu voi löytyä TDK Corporationin CeraLink FA ‑tuoteperheestä (Flex Assembly, joustava kokoonpano). Tuotteiden kapasitanssi on 0,25 µF – 10 µF ja nimellisjännite 500–900 VDC. Esimerkiksi B58035U9255M001-laitteen nimellisarvot ovat 2,5 µF ja 900 V (kuva 4). DC-linkkikondensaattorikäyttöön optimoitujen CeraLink-tuoteperheen laitteiden ominaisuuksia ovat muun muassa:

• kapasitanssitiheys 2–5 µF kuutiosenttimetriä (cm³) kohden
• alhainen induktanssi, 2,5–4 nanohenriä (nH)
• voidaan sijoittaa hyvin lähelle puolijohde-tehokomponenttia – kestää jopa 150 °C:n käyttölämpötilan (rajoitetun ajan)
• ei jännitteen muuttumisnopeutta (dV/dt) koskevia rajoituksia.

Kuva 4: TDK Corporationin CeraLink FA ‑perheeseen kuuluva B58035U9255M001 on 2,5 µF:n ja 900 voltin MLCC-pino. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

FA-perheen kondensaattorien leveys on 9,1 millimetriä (mm) ja korkeus 7,4 mm, ja niiden pituus on joko 6,3 mm, 9,3 mm tai 30,3 mm. Ne mahdollistavat jopa 47 ampeerin (A) (RMS) rippelivirran.

Yhteenveto

DC-linkkikondensaattorin määrittely on tärkeä osa tehomuunninten suunnittelua. Kuten edellä on kuvailtu, mahdollisia vaihtoehtoja on paljon ja ne myös muuttuvat ajan myötä. Jos kondensaattori valitaan väärin, tehomuunnin ei ehkä täytä odotuksia tai on liian kallis. Huonojen valintojen välttäminen edellyttää pysyttelemistä selvillä DC-linkkikondensaattoriteknologioiden ja ‑tuotteiden kehittymisestä.