Der Einsatz von Solarpaneelen und Elektrofahrzeugen (EVs) nimmt weiter zu. Ihr Stromversorgungssystem basiert auf DC/DC-Wandlern und DC/AC-Wechselrichtern. Dazu sind Kondensatoren erforderlich, um niederfrequente Welligkeiten zu reduzieren, hochfrequente Komponenten zu filtern, die elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen, und transiente Lastströme zu absorbieren, um zu verhindern, dass diese Faktoren die Primärseite der Stromversorgung beeinträchtigen. Die in solchen Leistungsanwendungen verwendeten Kondensatoren müssen zuverlässig, kompakt und leicht sein, eine lange Lebensdauer haben und eine gute Hochfrequenzleistung aufweisen.
Obwohl Dünnschichtkondensatoren für diese Leistungsanwendungen hervorragend geeignet sind, müssen Entwickler ihre Struktur und Eigenschaften verstehen, um die richtigen Entscheidungen treffen zu können.
In diesem Artikel werden Dünnschichtkondensatoren kurz vorgestellt. Besprechen Sie anschließend am Beispiel der Produkte der Eaton Electronics Division, wie Dünnschichtkondensatoren für Leistungsanwendungen ausgewählt und verwendet werden.
Folienkondensator
Wie alle Kondensatoren bestehen Folienkondensatoren aus zwei leitenden Platten, die durch ein Isoliermedium aus einer Schicht Kunststofffolie getrennt sind. Die Kunststofffolie besteht meist aus Polypropylen und ist ein verlustarmes, hochfestes Medium (Abbildung 1). Eine leitfähige Platte ist eine dünne Metallfolie oder eine dünne Metallschicht, die auf einem Dielektrikum aufgebracht ist. Wickeln Sie Metallfolie und Folie um den Kernschaft, schließen Sie die Leitungen an und verkapseln Sie den Kondensator anschließend in einem Kunststoffgehäuse und versiegeln Sie ihn mit Epoxidharz, um ihn vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Dargestellt ist ein Dünnschichtkondensator, der aus einem gewickelten Kernschaft besteht, der abwechselnd Metallschichten und dielektrische Schichten enthält
Abbildung 1: Ein Dünnschichtkondensator besteht aus einem gewickelten Kernschaft mit abwechselnden Metall- und dielektrischen Schichten, versiegelt in einem schützenden Kunststoffgehäuse. (Bildquelle: Eaton Electronics Division, modifiziert von Art Pini)
Obwohl die Energiedichte von Dünnschichtkondensatoren relativ gering ist, weisen sie eine hohe Kapazitätsdichte und andere Eigenschaften auf. Erstens haben Dünnschichtkondensatoren keine Polarität und sind sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstromkreise geeignet. Im Vergleich zu Kondensatoren, die flüssige oder halbflüssige Elektrolyte verwenden, weist das trockene Feststoffdielektrikum von Dünnschichtkondensatoren eine höhere Zuverlässigkeit, einen stabilen Kapazitätswert und eine ausgezeichnete Temperaturstabilität auf. Die geringere äquivalente Serieninduktivität (ESL) und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) gewährleisten eine effiziente Handhabung hoher Rippelströme, wodurch sich Dünnschichtkondensatoren hervorragend für Hochfrequenzanwendungen eignen. Das größte Merkmal von Dünnschichtkondensatoren ist möglicherweise ihre Selbstheilungsfähigkeit. Kommt es zu einem dielektrischen Durchschlag, entsteht ein lokaler Hot Spot, der dazu führt, dass benachbarte Metalle verdampfen und ein nichtleitendes Loch bilden. Der Kondensator kann jedoch weiterhin normal funktionieren, wodurch seine Lebensdauer verlängert wird.
Folienkondensator
Dünnschichtkondensatoren sind für bestimmte Anwendungen konzipiert. Zu den gängigen Typen zählen Sicherheitskondensatoren, Zwischenkreiskondensatoren, Wechselstromfilter und Impulskondensatoren. Sichere Folienkondensatoren werden zur Reduzierung der leitungsgebundenen Strahlung in Filteranwendungen für Wechselstromleitungen eingesetzt. Viele internationale Sicherheitsstandards legen Anforderungen für die Durchführung elektromagnetischer Störungen fest. Erwägen Sie die Ausstattung von Elektrofahrzeugen mit einem Gleichstromladegerät, das über einen Stromkreis mit Strom versorgt wird. In DC-Schnellladestationen kann die Gleichtakt- und Differenzialmodus-EMI-Filterung durch Kondensatoren einen Pfad mit niedriger Impedanz für die Umleitung von Rauschsignalen bereitstellen und gleichzeitig die geringste Verlustleistung erzielen.
Die EMI-Unterdrückung wird durch einen Netzfilter erreicht, der einen Dünnschichtkondensator zwischen der Stromleitung und dem Schaltnetzteil enthält (Abbildung 2).
Sicherheitsfolienkondensatoren CX und CY in Netzfiltern (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 2: Die Sicherheitsfolienkondensatoren CX und CY sind in den Netzfilter integriert, um die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen auf die Stromleitung zu verhindern. (Bildquelle: Eaton Electronics Division)
Durch die Platzierung von Kondensatoren, die mit der Bezeichnung „CX-Kabel an Kabel“ gekennzeichnet sind, kann die Differenzmodus-EMI reduziert werden. CY-Kondensatoren sind von jeder Leitung mit der Erde verbunden, um Gleichtakt-EMI zu reduzieren.
Zwischenkreiskondensatoren sind Glättungsfilter in Gleichstromkreisen zwischen Wechselstromstufen. Installieren Sie beispielsweise einen Induktivitätskondensatorfilter (LC) am DC-Bus zwischen den Gleichrichter- und Wechselrichterstufen der Motorantriebsschaltung (Abbildung 3).