Minggu ini kita melanjutkan artikel minggu lalu.

1.2 Kapasitor elektrolit

Dielektrik yang digunakan dalam kapasitor elektrolit adalah aluminium oksida yang terbentuk dari korosi aluminium, dengan konstanta dielektrik 8 hingga 8,5 dan kekuatan dielektrik kerja sekitar 0,07V/A (1µm=10000A). Namun, ketebalan tersebut tidak mungkin dicapai. Ketebalan lapisan aluminium mengurangi faktor kapasitas (kapasitansi spesifik) kapasitor elektrolit karena foil aluminium harus diukir untuk membentuk lapisan aluminium oksida agar mendapatkan karakteristik penyimpanan energi yang baik, dan permukaannya akan membentuk banyak permukaan yang tidak rata. Di sisi lain, resistivitas elektrolit adalah 150Ωcm untuk tegangan rendah dan 5kΩcm untuk tegangan tinggi (500V). Resistivitas elektrolit yang lebih tinggi membatasi arus RMS yang dapat ditahan oleh kapasitor elektrolit, biasanya hingga 20mA/µF.

Karena alasan-alasan ini, kapasitor elektrolitik dirancang untuk tegangan maksimum tipikal 450V (beberapa produsen mendesain untuk 600V). Oleh karena itu, untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi, perlu dicapai dengan menghubungkan kapasitor secara seri. Namun, karena perbedaan resistansi isolasi setiap kapasitor elektrolitik, resistor harus dihubungkan ke setiap kapasitor untuk menyeimbangkan tegangan setiap kapasitor yang terhubung secara seri. Selain itu, kapasitor elektrolitik adalah perangkat terpolarisasi, dan ketika tegangan balik yang diterapkan melebihi 1,5 kali Un, reaksi elektrokimia terjadi. Ketika tegangan balik yang diterapkan cukup lama, kapasitor akan mengalami kebocoran muatan. Untuk menghindari fenomena ini, dioda harus dihubungkan di dekat setiap kapasitor saat digunakan. Selain itu, resistansi lonjakan tegangan kapasitor elektrolitik umumnya 1,15 kali Un, dan yang berkualitas baik dapat mencapai 1,2 kali Un. Jadi, perancang harus mempertimbangkan tidak hanya tegangan kerja kondisi tunak tetapi juga tegangan lonjakan saat menggunakannya. Singkatnya, tabel perbandingan berikut antara kapasitor film dan kapasitor elektrolitik dapat dibuat, lihat Gambar 1.

2. Analisis Aplikasi

Kapasitor DC-Link sebagai filter memerlukan desain arus tinggi dan kapasitas tinggi. Contohnya adalah sistem penggerak motor utama kendaraan energi baru seperti yang disebutkan pada Gambar 3. Dalam aplikasi ini, kapasitor berperan sebagai decoupling dan rangkaiannya memiliki arus operasi yang tinggi. Kapasitor DC-Link film memiliki keunggulan mampu menahan arus operasi yang besar (Irms). Ambil contoh parameter kendaraan energi baru 50~60kW, parameternya adalah sebagai berikut: tegangan operasi 330 Vdc, tegangan riak 10Vrms, arus riak 150Arms@10KHz.

Kemudian kapasitas listrik minimum dihitung sebagai berikut:

Hal ini mudah diterapkan pada desain kapasitor film. Dengan asumsi kapasitor elektrolit digunakan, jika 20mA/μF dipertimbangkan, kapasitansi minimum kapasitor elektrolit dihitung untuk memenuhi parameter di atas sebagai berikut:

Hal ini membutuhkan beberapa kapasitor elektrolit yang dihubungkan secara paralel untuk mendapatkan kapasitansi ini.

Pada aplikasi tegangan berlebih, seperti kereta ringan, bus listrik, kereta bawah tanah, dll., mengingat daya ini terhubung ke pantograf lokomotif melalui pantograf, kontak antara pantograf dan lokomotif terputus-putus selama perjalanan transportasi. Ketika keduanya tidak terhubung, catu daya didukung oleh kapasitor DC-Link, dan ketika kontak dipulihkan, tegangan berlebih akan dihasilkan. Kasus terburuk adalah pelepasan muatan total oleh kapasitor DC-Link ketika terputus, di mana tegangan pelepasan sama dengan tegangan pantograf, dan ketika kontak dipulihkan, tegangan berlebih yang dihasilkan hampir dua kali lipat dari tegangan operasi nominal Un. Untuk kapasitor film, kapasitor DC-Link dapat ditangani tanpa pertimbangan tambahan. Jika kapasitor elektrolit digunakan, tegangan berlebihnya adalah 1,2Un. Ambil contoh metro Shanghai. Un=1500Vdc, untuk kapasitor elektrolit tegangan yang perlu dipertimbangkan adalah:

Kemudian, enam kapasitor 450V akan dihubungkan secara seri. Jika menggunakan desain kapasitor film, tegangan 600Vdc hingga 2000Vdc atau bahkan 3000Vdc dapat dengan mudah dicapai. Selain itu, energi dalam kasus pelepasan muatan penuh kapasitor membentuk pelepasan arus pendek antara kedua elektroda, menghasilkan arus masuk yang besar melalui kapasitor DC-Link, yang biasanya berbeda dengan kapasitor elektrolit untuk memenuhi persyaratan.

Selain itu, dibandingkan dengan kapasitor elektrolit, kapasitor film DC-Link dapat dirancang untuk mencapai ESR yang sangat rendah (biasanya di bawah 10mΩ, dan bahkan lebih rendah <1mΩ) dan induktansi diri LS (biasanya di bawah 100nH, dan dalam beberapa kasus di bawah 10 atau 20nH). Hal ini memungkinkan kapasitor film DC-Link untuk dipasang langsung ke modul IGBT saat diaplikasikan, memungkinkan bus bar untuk diintegrasikan ke dalam kapasitor film DC-Link, sehingga menghilangkan kebutuhan akan kapasitor penyerap IGBT khusus saat menggunakan kapasitor film, menghemat biaya yang signifikan bagi perancang. Gambar 2 dan 3 menunjukkan spesifikasi teknis beberapa produk C3A dan C3B.

3. Kesimpulan

Pada awalnya, kapasitor DC-Link sebagian besar berupa kapasitor elektrolit karena pertimbangan biaya dan ukuran.

Namun, kapasitor elektrolit dipengaruhi oleh kemampuan menahan tegangan dan arus (ESR jauh lebih tinggi dibandingkan kapasitor film), sehingga perlu menghubungkan beberapa kapasitor elektrolit secara seri dan paralel untuk mendapatkan kapasitas besar dan memenuhi persyaratan penggunaan tegangan tinggi. Selain itu, mengingat penguapan material elektrolit, kapasitor harus diganti secara berkala. Aplikasi energi baru umumnya membutuhkan masa pakai produk selama 15 tahun, sehingga harus diganti 2 hingga 3 kali selama periode ini. Oleh karena itu, terdapat biaya dan ketidaknyamanan yang cukup besar dalam layanan purna jual seluruh mesin. Dengan perkembangan teknologi pelapisan metalisasi dan teknologi kapasitor film, dimungkinkan untuk memproduksi kapasitor filter DC berkapasitas tinggi dengan tegangan dari 450V hingga 1200V atau bahkan lebih tinggi dengan film OPP ultra-tipis (paling tipis 2,7µm, bahkan 2,4µm) menggunakan teknologi penguapan film pengaman. Di sisi lain, integrasi kapasitor DC-Link dengan bus bar membuat desain modul inverter lebih kompak dan sangat mengurangi induktansi liar rangkaian untuk mengoptimalkan rangkaian.