針對(duì)低內(nèi)部電感進(jìn)行了優(yōu)化的電解電容器可以幫助降低工業(yè)電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的成本，同時(shí)提高效率，性能和可靠性。

 

隨著在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等新興趨勢(shì)的推動(dòng)下，制造和裝配過程的自動(dòng)化繼續(xù)變得越來越普遍，低電感電解電容器可以幫助在機(jī)器人和其他工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)成本節(jié)省和性能提升設(shè)備。

 

聚丙烯薄膜電容器和電解電容器都適合于大功率工業(yè)應(yīng)用中的去耦工作，例如在開關(guān)電源的輸出處，以及用于穩(wěn)定變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和固定頻率發(fā)電機(jī)的DC鏈路。相對(duì)于其他電容器技術(shù)，電解電容器可在較小的外殼尺寸內(nèi)以低成本提供高電容，在600 V應(yīng)用中通常是首選。

 

每個(gè)實(shí)際電容器都有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的電感，當(dāng)高頻紋波電流流經(jīng)該器件時(shí)，該電感會(huì)引起電壓尖峰。設(shè)計(jì)為具有低寄生電感的電容器可以減小這些電壓峰值的幅度，從而允許設(shè)計(jì)人員指定較低電壓等級(jí)的功率半導(dǎo)體。同樣，指定低電感器件可以減少所需的電容器數(shù)量，從而有助于降低總體成本并減小尺寸和重量。

 

電容器的寄生電感

 

理想電容器可以將所有存儲(chǔ)的能量立即轉(zhuǎn)移到負(fù)載中，而理想電容器與實(shí)際電容器不同，實(shí)際電容器有寄生效應(yīng)，可以將其建模為等效電感和與電容串聯(lián)的電阻（ESL和ESR）。這種有害電感的影響包括感應(yīng)電壓尖峰，該尖峰會(huì)損壞連接到電路的敏感組件。此外，雜散電感和設(shè)備電容之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生噪聲，從而可能損害電路的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。

 

通常，電感趨向于阻止電流的變化。影響的大小取決于頻率。電容電抗隨頻率降低，而電感電抗增加。這兩個(gè)電抗在電容器的自諧振頻率處相等且相反，從而產(chǎn)生抵消效果，從而使總電抗為零，并且電容器的阻抗僅由ESR引起：

 

該組件在此自諧振頻率以下充當(dāng)電容器，并且阻抗會(huì)隨著頻率的增加而降低。隨著頻率增加，阻抗特性開始偏離并在自諧振頻率處達(dá)到最小值。在此頻率以上，感應(yīng)行為起主導(dǎo)作用，阻抗增加。降低電容器的ESL會(huì)提高自諧振頻率。

 

對(duì)低電感電容器的需求

 

可以從低電感電解電容器中受益的應(yīng)用包括大容量電容，該電容通常會(huì)受到高頻開關(guān)的影響。此外，低ESL電容器對(duì)于直流鏈路應(yīng)用（例如工業(yè)逆變器驅(qū)動(dòng)器）而言是理想的，以最大程度地減少自發(fā)熱，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)功率器件的保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)電解直流鏈路電容器的ESL可以與其他連接，電纜和其他組件一起產(chǎn)生電壓尖峰，這些電壓尖峰需要在每個(gè)逆變器相臂上放置一個(gè)緩沖器。降低電容器的ESL可以將整體電感降低到消除每個(gè)逆變器相腳上的緩沖電路需求的程度。

 

內(nèi)部電容器設(shè)計(jì)

 

大型螺旋式端子電解電容器的ESL主要內(nèi)部組件是甲板端子，內(nèi)部連接接線片和繞組，如圖1所示。可以通過優(yōu)化內(nèi)部布局以減少ESL。減少電容器電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這是通過減小纏繞元件與端子之間的距離并減小凸片之間的距離來實(shí)現(xiàn)的。圖1將標(biāo)準(zhǔn)電容器的內(nèi)部布局與低電感模型進(jìn)行了比較，顯示了重新設(shè)計(jì)的功能如何將電感降低多達(dá)40％。

優(yōu)化的終端設(shè)計(jì)

 

如圖2所示，減小端子之間的間距會(huì)引入電感消除效應(yīng)。而且，端子的高度減小以縮短總導(dǎo)體長(zhǎng)度。端子底部的較大表面積允許內(nèi)部連接接線片的間距更小，從而最大程度地發(fā)揮消除作用。該設(shè)計(jì)還利用了多個(gè)選項(xiàng)卡，它們都并聯(lián)連接。

 

圖2.降低高度，縮小端子和關(guān)聯(lián)的間距引用了對(duì)端蓋設(shè)計(jì)的更改。

 

低電感電容工作

 

降低整個(gè)電路的電感（電解電容是其中的一個(gè)因素）可以降低電源線上的電壓尖峰幅度（圖3）。由陡邊脈沖引起的峰值被最大程度地降低。降低電源線上的峰值電壓具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括允許設(shè)計(jì)人員指定較低額定電壓的功率半導(dǎo)體，從而節(jié)省成本并提高功率密度。此外，可以使用更少的電容器來構(gòu)建電容器組，以實(shí)現(xiàn)相同的性能，從而降低成本，重量和變頻器的空間要求。

 

圖3.電壓瞬變示例。可以通過更好的電容器選擇（使用具有更好ESL特性的組件）來緩解這種情況

 

結(jié)論

 

降低功率電容器的ESL可以削減工業(yè)自動(dòng)化，機(jī)器人技術(shù)，電源管理和智能工廠設(shè)備中的材料清單。降低ESL會(huì)提高電容器的自諧振頻率，從而允許在更高開關(guān)頻率的電路中使用，并降低了峰值電壓尖峰，從而允許使用額定功率較低的功率半導(dǎo)體。通過降低噪聲，較低的ESL有助于改善開關(guān)電源的輸出端的電源質(zhì)量。

 

低ESL電解電容器體現(xiàn)了設(shè)計(jì)創(chuàng)新，以減少互連的長(zhǎng)度并利用電感消除的優(yōu)勢(shì)。在較高電壓下，ESL降低的百分比最大，測(cè)得該電容器的ESL改善了40％。