Силовые конденсаторы : как правильно выбрать (Power Capacitors: how to choose) Part 1

Силовые конденсаторы : как правильно выбрать

Вторыми по значимости элементами схемы любого преобразовательного устройства являются конденсаторы. Пусть мы совершенно рассчитали режимы и идеально определили силовые полупроводниковые элементы, но если при этом руководствовались советами, звучавшими в пригородной электричке, при выборе конденсаторов -все! Наше устройство обречено. Поскольку вместо многих лет безотказной работы оно будет иметь все шансы выйти из строя в течение нескольких дней/недель/месяцев именно "благодаря" ошибке при выборе конденсаторов.
Для современных мощных импульсных устройств, использующих в качестве силовых ключей транзисторы MOSFET или IGBT, характерны режимы работы, связанные с высокими скоростями коммутации токов в десятки, сотни и даже тысячи ампер. Как правило, специалисты не особо задумываются о расчете режимов при выборе конденсаторов для
маломощных схем. Такая «невнимательность» совершенно недопустима при расчете конденсаторов устройств силовой преобразовательной техники. Неграмотный их выбор и неправильный расчет режимов его работы может заметно снизить надежность аппаратуры и стать причиной неожиданных отказов.
Если сгруппировать все известные факторы, влияющие на безотказность работы, то причин выхода из строя всего две:
- превышение максимальных параметров;
- нарушение условий эксплуатации.
С точки зрения большинства производителей, наиболее значимыми факторами являются:
- импульсные, пульсирующие, эффективные токи, не соответствующие максимально допустимой рассеиваемой тепловой мощности;
- пиковые, импульсные, действующие значения напряжений и недопустимая скорость их изменения;
- локальный перегрев и превышение допустимого значения окружающей температуры;
- неверные параметры электрических соединений;
- механические воздействия.
Первые два фактора можно и нужно учитывать еще на этапе расчета электромагнитных и тепловых процессов при проектирования устройства.
Как правило, производители конденсаторов в технической документации приводят минимальный набор параметров: предельное напряжение, номинальный ток, максимально допустимую амплитуду импульсного тока, тангенс угла потерь; реже приводят эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). В спецификациях более «продвинутых» изготовителей можно найти переходные тепловые сопротивления , максимальные значения ударных токов и показатели надежности [1].

Упрощенная методика выбора

Напряжения .

Выбираемый конденсатор должен иметь допустимые значения перенапряжений (пиковое напряжение Us), номинальное значение постоянного напряжения (Undc) и среднеквадратичного напряжения (Urms) выше, чем те, которые будут иметь место в процессе работы. Считают, что напряжение U_NDC должно быть выше, чем сумма компонента постоянной составляющей DC и повторяющихся пиковых AC компонентов.Нормальная работа вполне возможна с предельно допустимыми значениями номинальных напряжений, но это снижает ожидаемый срок службы конденсатора.
При переключении в рабочее состояние, остаточные напряжения до подачи питания не должны превышать 10% номинального напряжения.

Токи и частоты.

Выбираемый конденсатор должен иметь максимально допустимое паспортное значение тока больше, чем рабочее значение Irms.Следует учитывать [4], что:

• тепловая проверка проводится для того, чтобы убедиться, что максимальная Температура при работе выбранного конденсатора не превышает максимально допустимую для данного значения I_RMS

• Imax конденсаторов был рассчитан для разности температур Θh - Θ0 около 30 ° C в предположении, что подаваемое напряжение состоит из:
• основной гармоники Urms, влияющей как по потери проводимости (R_S * I² _RMS), так и на потери в диэлектрике (Q tan δ0)
• Содержащиеся в напряжения гармонические составляющие влияют только на потери на активном сопротивлении (R_S * I² _rms).
В действительности гармонический состав влияет также и на величину диэлектрических потерь, но это может быть оценено при расчетах только при известном спектральном составе тока. Для более точных расчетов лучше всего использовать моделирующие пакеты, позволяющие определить все электромагнитные процессы в схеме.

Тепловые потери.

Чтобы оценить возможность использования конденсатора, для имеющихся в схеме величин напряжений и токов, должна быть определена допустимая температура окружающей среды. Это может быть выполнено после вычисления рассеиваемой мощности при помощи диаграммы зависимости допустимой температуры окружающей среды T_A от суммарной рассеиваемой мощности P [3].Суммарные потери проще всего оценить через среднеквадратичное (RMS) значение переменного тока I, текущего через конденсатор, и значения эквивалентных сопротивлений. Общее омическое сопротивление R состоит из сопротивления фольги, электродов и выводов.
Вычисление рассеиваемой мощности P

Рассеиваемая мощность P складывается из диэлектрических (PD) и резистивных (PR) потерь.
С достаточной точностью можно использовать модель работы при синусоидальном напряжении переменного тока.

P = P_D + P_R (1)

P_D = Uac² · π · f₀ · C · tg δ0

где U^ac пиковое значение симметричного напряжения переменного тока, приложенного к конденсатору

- f₀ -основная частота

- C - емкость

- tg δ0 -коэффициент рассеяния в диэлектрике

P_R = I² · R_S

где - I -среднеквадратичное значение тока через конденсатор;

- R_{S -} последовательное сопротивление при максимальном значении локальной температуры

Для вычисления резистивных потерь используется значение R_S при максимальной температуре. В технических описаниях значение R_S приводится для 20°C. Корректирующий коэффициент можно оценить следующим образом:

R_S85 = 1.25 · R_S20

Тепловое сопротивление R_th

Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к мощности, рассеиваемой в конденсаторе. Решающее значение имеет величина ΔT_cap: разность температур между определенной точкой внешнего охладителя (например воздуха) окружающего конденсатор и точкой в “горячей зоне” конденсатора (зоне с наивысшей температурой внутри корпуса). В устойчивом состоянии (термодинамическом равновесии):

R_th= ΔT_cap / P (2)

где -R_th -тепловое сопротивление

- ΔT_cap -разность температур между горячей зоной и окружающей средой

- P -рассеиваемая мощность

Тепловая постоянная времени ξ_th

Тепловая постоянная времени может быть вычислена для современных полипропиленовых конденсаторов с достаточной точностью как произведение удельной теплоемкости (около 1.3 Вт·с/К·г), массы конденсатора, и теплового сопротивления в рабочей точке.

ξ_th= m · С_thcap · R_th

- ξ_th -тепловая постоянная времени;

- R_th -тепловое сопротивление;

- m -масса (вес) конденсатора;

- c_thcap -удельная теплоемкость;

Продолжительность работы под нагрузкой t_LD в зависимости от температуры T
Продолжительность работы под нагрузкой для конденсатора с органическим диэлектриком зависит кроме всего прочего от температуры, возникающей в процессе работы в горячей зоне конденсатора. Взяв производную от уравнения Аррениуса (описывающего температурнозависимый процесс старения) может быть выведена функциональная зависимость продолжительности работы под нагрузкой при температуре в горячей зоне незначительно отличающейся от максимального значения (T_hs=T_HS...T_HS-7°C)

t_LDThs = t_LDTHs · 2 (T_HS – T_hs ) / k_a

- t_LDThs -продолжительность работы под нагрузкой при рабочей температуре;

- t_LDTHS -продолжительность работы под нагрузкой при максимальной температуре;

- T_HS -макс. температура горячей зоны;

- Ths - рабочая температура горячей зоны;

- k_­a -коэффициент Аррениуса;

Продолжительность работы под нагрузкой t_LD в зависимости от напряжения
Продолжительность работы при рабочих напряжениях может быть предсказана только в сравнительно узком диапазоне напряжений (U=0.9...1.1·UR). Зависимость продолжительности работы от рабочего напряжения может быть приблизительно выражена в виде степенной функции.

t_LDV = t_LDVR ( UR / U ) ⁿ

- t_LDV продолжительность работы при рабочем напряжении ;

- t_LDVR продолжительность работы при номинальном напряжении;

- UR номинальное напряжение;

- U -рабочее напряжение;

- n -показатель степени;

Более простой и быстрый способ получения значения Irmsс (и, соответственно, более подходящий для инженеров) — моделирование схемы на PSPICE. Нарисовав с помощью схемного редактора свою схему и задав соответствующие значения элементов схемы и выбираемой емкости в т.ч., вы можете мгновенно получить график среднеквадратичного значения тока конденсатора: RMS(Ic).
Тепловая проверка основана на предположении, что тепло генерируется в конденсаторе и передается в окружающую среду по поверхности. Возможный местный перегрев (плохое соединение, горячие компоненты по соседству, работы с гармониками высоких частот т.д.) может приводить к внезапным отказам или снижению ожидаемого срока службы. В случае возникновения сомнений должны быть проведены специальные тесты с помощью термопар, чтобы убедиться, что температура горячей точки не превышает максимума даже для самых критических внешних условий.
"Горячая точка" или место максимального локального перегрева получается в результате тепловыделения и ограниченной теплопроводности из внутренней области конденсатора на внешнюю поверхность корпуса. Из-за ограничения температуры органических диэлектриков и ускоренного старения диэлектрика с ростом температуры, конструкция долгоживущиих конденсаторов разрабатывается такой, чтобы обеспечить превышение максимальной температуры горячей точкой значения не более 10 ° C [2]. Диэлектрики, как правило, являются отличными электрическими и тепловыми изоляторами, с небольшими исключениями.
Теплопроводность полипропилена, например, составляет 0,17 Вт / м / ° K по сравнению с 222 Вт / м / ° K для алюминия.

Статья будет полностью опубликована в журнале "Электрик" в двух следующих номерах.

Продолжение следует.....