อย่าให้ตัวเก็บประจุ DC Link เป็นจุดเชื่อมที่เป็นจุดอ่อนในการออกแบบตัวแปลงพลังงานของคุณ

ตัวเก็บประจุแบบเชื่อมต่อกระแสตรง (DC) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการใช้งานหลายอย่าง รวมถึงอินเวอร์เตอร์สามเฟสสำหรับมอเตอร์ไดรฟ์ของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และพลังงานลม ไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรม เครื่องชาร์จในรถยนต์ และอุปกรณ์จ่ายไฟสำหรับการแพทย์หรืออุปกรณ์ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม การติดตามความคืบหน้าล่าสุดเป็นสิ่งสำคัญ หากมีการใช้งานตัวเก็บประจุ DC link อย่างไม่เหมาะสมมันอาจเป็น "จุดอ่อน" ที่ลดความหนาแน่นของพลังงานและความน่าเชื่อถือไปได้

เป็นที่น่าเสียดายสำหรับนักออกแบบ เพราะความก้าวหน้าในเทคโนโลยีตัวเก็บประจุนั้นช้าและถูกมองข้ามซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว การเพิ่มความท้าทายคือ เทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบต่าง ๆ กำลังก้าวหน้าในอัตราที่ต่างกัน: อะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเต็มที่และช้ากว่า ในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและตัวเก็บประจุแบบเซรามิกหลายชั้น (MLCC) กำลังก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์มักจะให้ความจุต่อหน่วยปริมาตรและความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและ MLCC; แต่การประนีประนอมไม่ได้รับการแก้ไข

ตัวอย่างเช่น การอัพเกรดสวิตช์ไฟด้วยอุปกรณ์ความถี่สูง เช่น การแทนที่ IGBT ด้วย MOSFET หรือการเปลี่ยนอุปกรณ์ซิลิกอนด้วยสวิตช์ไฟแบบ Wide Bandgap (WBG) อาจเป็นเวลาที่ดีในการพิจารณาทางเลือกในอดีตสำหรับตัวเก็บประจุแบบ DC link เทคโนโลยีตัวเก็บประจุ DC link แต่ละตัวมีความสามารถเฉพาะตัว (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบตัวเก็บประจุ DC Link แสดงแรงดันไฟฟ้าเทียบกับความจุสำหรับเทคโนโลยีหลัก ตัวเก็บประจุ CeraLink จาก TDK เป็น MLCC ที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งาน DC link (แหล่งรูปภาพ: TDK Corporation)

อะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ ('lytics) เป็นตัวเก็บประจุ DC link ที่พบบ่อยที่สุด พวกเขามีการผสมผสานระหว่างความหนาแน่นของพลังงานสูงและต้นทุนต่ำ มักใช้สำหรับไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรม เครื่องสำรองไฟ (UPS) และการใช้งานสำหรับผู้บริโภค เชิงพาณิชย์ และอุตสาหกรรมที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานที่ค่อนข้างสั้นและการใช้งานความถี่ต่ำสามารถแยก lytics ออกจากการพิจารณาในการใช้งานที่มีความต้องการมากขึ้นได้

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมักถูกมองว่าเป็นองค์ประกอบ DC link ในการใช้งานที่มีความต้องการสูง เช่น ไดรฟ์ฉุด EV ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีความน่าเชื่อถือสูงกว่า ความสามารถในการนำกระแสไฟสูง ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าที่ต่ำกว่า (ESR) และสามารถใช้งานได้ที่ความถี่สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ lytics แต่เช่นเดียวกับ lytics ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีอุณหภูมิการทำงานที่ค่อนข้างต่ำประมาณ 105 องศาเซลเซียส (°C)

MLCC นำเสนอความเป็นไปได้ที่สาม ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีพิกัดกระแสเฉลี่ยรากที่สูงกว่า (rms) และสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่าตัวเก็บประจุอื่น ๆ ข้อเสียคือสามารถใช้ MLCC จำนวนมากสำหรับความหนาแน่นของพลังงานที่กำหนด ซึ่งทำให้ยากต่อการนำรูปแบบตัวเก็บประจุมาใช้เพื่อให้แน่ใจว่ามีการกระจายกระแสที่เท่ากัน นอกจากนี้ อาจมีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือที่เกี่ยวข้องกับ MLCC วัสดุอิเล็กทริกเซรามิกมีความแข็งและสามารถแตกร้าวได้เนื่องจากความเค้นทางกลหรือความร้อน ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างขั้ว

เห็นได้ชัดว่าไม่มีเทคโนโลยีตัวเก็บประจุที่ "สมบูรณ์แบบ" สำหรับการใช้งาน DC link ทั้งหมด เพื่อให้ได้โซลูชันการออกแบบที่ดีที่สุดสำหรับโครงการหนึ่งๆ คุณต้องทบทวนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการพัฒนาผลิตภัณฑ์ล่าสุด ดังนั้น ลองพิจารณาข้อแลกเปลี่ยนและความสามารถของอุปกรณ์ประเภทต่าง ๆ ที่เป็นตัวแทนของตัวเก็บประจุ DC Link ซึ่งรวมถึงอะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์จาก Cornell Dubilier Electronics, ฟิล์มจาก KEMET, และ MLCCs จาก TDK Corporation

อิเล็กโทรไลต์สำหรับการออกแบบระลอกคลื่นสูง

สำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟกระเพื่อมสูง คุณสามารถใช้ซีรีส์ 381LR จาก Cornell Dubilier Electronics ที่ได้รับการจัดอันดับ 200 ถึง 450 Vdc และ 56 ถึง 2,200 microfarads (µF) และสามารถจัดการกับ กระแสกระเพื่อมมากขึ้นอย่างน้อย 25% เมื่อเทียบกับสแนป 105 °C มาตรฐาน -in 'lytics (รูปที่ 2) ความก้าวหน้าล่าสุดในสูตรอิเล็กโทรไลต์เป็นหัวใจสำคัญของ ESR ต่ำที่ทำให้ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีความสามารถในการกระเพื่อมของกระแสไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุน้อยลงในมอเตอร์ไดรฟ์ เครื่องสำรองไฟ (UPS) และการใช้งานที่มีกระแสไฟกระเพื่อมสูงอื่น ๆ

รูปที่ 2: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ 381LR ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 200 ถึง 450 โวลต์ DC และ 56 ถึง 2,200 µF (แหล่งรูปภาพ: Jeff Shepard จากแหล่งข้อมูลจาก Cornell Dubilier Electronics)

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสำหรับตัวขับแรงฉุดยานยนต์

หากคุณกำลังออกแบบระบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ตัวขับแรงฉุดยานยนต์ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม C4AK จาก KEMET DC link ที่มีอายุการใช้งาน 4,000 ชั่วโมงที่ 125 °C และ 1,000 ชั่วโมงที่ 135 °C เป็นตัวเลือกที่ดี (รูปที่ 3) ออกแบบมาสำหรับการออกแบบระบบที่มีขนาดกะทัดรัด อุปกรณ์เหล่านี้มีรูปแบบกล่องรัศมีสำหรับการติดตั้งบอร์ดพีซีที่มีโปรไฟล์ต่ำ และช่วยให้ใช้ตัวเก็บประจุแบบขนานน้อยลงเพื่อรองรับกระแสสูงสุดและกระแสน้ำกระเพื่อม

รูปที่ 3: KEMET DC link C4AK ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีอายุการใช้งาน 4,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 125 องศาเซลเซียส และ 1000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 135 องศาเซลเซียส (แหล่งรูปภาพ: KEMET)

ตัวเก็บประจุแบบลิงก์ C4AK DC ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในตัวแปลงพลังงานระบบ EV ความถี่สูงและกระแสสูง อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และเซลล์เชื้อเพลิง ระบบกักเก็บพลังงาน การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย และการใช้งานในอุตสาหกรรมอื่น ๆ

MLCC สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ WBG ที่รวดเร็ว

เมื่อมีการใช้งาน WBGs ตระกูล CeraLink FA (flex assembly) จาก TDK Corporation อาจมีโซลูชันที่เหมาะสม ตระกูลนี้รวมค่าความจุตั้งแต่ 0.25 µF ถึง 10 µF และแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดระหว่าง 500 ถึง 900 โวลต์ DC ยกตัวอย่าง B58035U9255M001 มีค่า 2.5 µF และ 900 โวลต์ (รูปที่ 4) อุปกรณ์ต่างๆ ในตระกูล CeraLink ได้รับการปรับให้เหมาะสำหรับใช้เป็นตัวเก็บประจุแบบ DC link โดยมีคุณสมบัติดังนี้:

  • ความหนาแน่นของความจุ 2 ถึง 5 µF ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³)
  • ความเหนี่ยวนำตัวเองต่ำ 2.5 ถึง 4 นาโนเฮนรี่ (nH)
  • ความสามารถในการวางใกล้กับอุปกรณ์จ่ายไฟเซมิคอนดักเตอร์ที่อนุญาตการทำงานสูงสุด 150°C (ในระยะเวลาจำกัด)
  • ไม่มีการจำกัดอัตราแรงดันไฟฟ้า (dV/dt)

รูปที่ 4: B58035U9255M001 เป็นส่วนหนึ่งของตระกูล CeraLink FA ของ TDK Corporation ซึ่งเป็นสแต็ก MLCC ขนาด 2.5 µF และ 900 โวลต์ (แหล่งรูปภาพ: TDK Corporation)

ตัวเก็บประจุแบบตระกูล FA กว้าง 9.1 มม. (มม.) สูง 7.4 มม. และมีความยาวให้เลือก 6.3 มม. 9.3 มม. และ 30.3 มม. มีความสามารถในการกระเพื่อมกระแสสูงถึง 47 แอมแปร์ (A) rms

บทสรุป

การระบุตัวเก็บประจุ DC link เป็นส่วนสำคัญของการออกแบบตัวแปลงพลังงาน ดังที่แสดงไว้ มีตัวเลือกที่เป็นไปได้มากมาย ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงได้ การเลือกที่ไม่ดีอาจส่งผลให้ตัวแปลงไฟไม่ตรงตามความคาดหวังหรือมีราคาแพงเกินไป เพื่อหลีกเลี่ยงการเลือกที่ไม่ดี คุณจำเป็นต้องติดตามข่าวสารล่าสุดเกี่ยวกับเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ DC link capacitor

About this author

Image of Jeff Shepard

Jeff เขียนเกี่ยวกับเรื่องอิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และหัวข้อทางด้านเทคโนโลยีอื่น ๆ มามากกว่า 30 ปีแล้ว เขาเริ่มเขียนเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์กำลังในตำแหน่งบรรณาธิการอาวุโสที่ EETimes ต่อมาเขาได้ก่อตั้ง Powertechniques ซึ่งเป็นนิตยสารเกี่ยวกับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังและก่อตั้ง Darnell Group ซึ่งเป็นบริษัทวิจัยและเผยแพร่ด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังระดับโลกในเวลาต่อมา ในบรรดากิจกรรมต่างๆ Darnell Group ได้เผยแพร่ PowerPulse.net ซึ่งให้ข่าวประจำวันสำหรับชุมชนวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังทั่วโลก เขาเป็นผู้เขียนหนังสือข้อความแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดชื่อ "Power Supplies" ซึ่งจัดพิมพ์โดยแผนก Reston ของ Prentice Hall

นอกจากนี้ Jeff ยังร่วมก่อตั้ง Jeta Power Systems ซึ่งเป็นผู้ผลิตอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งกำลังวัตต์สูงซึ่งได้มาจากผลิตภัณฑ์คอมพิวเตอร์ Jeff ยังเป็นนักประดิษฐ์โดยมีชื่อของเขาอยู่ในสิทธิบัตร 17 ฉบับของสหรัฐอเมริกาในด้านการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนและวัสดุที่ใช้ในเชิงแสงและเป็นแหล่งอุตสาหกรรม และบ่อยครั้งเขายังเป็นนักพูดเกี่ยวกับแนวโน้มระดับโลกในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทด้านวิธีการเชิงปริมาณและคณิตศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

More posts by Jeff Shepard
 TechForum

Have questions or comments? Continue the conversation on TechForum, DigiKey's online community and technical resource.

Visit TechForum