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 UNDC 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 IRMS
• 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 (RS * I2 RMS), так и на потери в диэлектрике (Q tan δ0)
• Содержащиеся в напряжения гармонические составляющие влияют только на потери на активном сопротивлении (RS * 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 TA 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 = PD + PR (1)
PD = 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
PR = I2 · RS
где - I -среднеквадратичное значение тока через конденсатор;
- RS - последовательное сопротивление при максимальном значении локальной температуры
Для вычисления резистивных потерь используется значение RS при максимальной температуре. В технических описаниях значение RS приводится для 20°C. Корректирующий коэффициент можно оценить следующим образом:
RS85 = 1.25 · RS20
Тепловое сопротивление Rth
Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к мощности, рассеиваемой в конденсаторе. Решающее значение имеет величина ΔTcap: 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):
Rth= ΔTcap / P (2)
где -Rth -тепловое сопротивление
- ΔTcap -разность температур между горячей зоной и окружающей средой
- P -рассеиваемая мощность
Тепловая постоянная времени ξth
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.
ξth= m · Сthcap · Rth
- ξth -тепловая постоянная времени;
- Rth -тепловое сопротивление;
- m -масса (вес) конденсатора;
- cthcap -удельная теплоемкость;
Продолжительность работы под нагрузкой tLD 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 (Ths=THS...THS-7°C)
tLDThs = tLDTHs · 2 (THS – Ths ) / ka
- tLDThs -продолжительность работы под нагрузкой при рабочей температуре;
- tLDTHS -продолжительность работы под нагрузкой при максимальной температуре;
- THS -макс. температура горячей зоны;
- Ths - рабочая температура горячей зоны;
- ka -коэффициент Аррениуса;
Продолжительность работы под нагрузкой tLD 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.
tLDV = tLDVR ( UR / U ) n
- tLDV продолжительность работы при рабочем напряжении ;
- tLDVR 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.....
Сообщения
