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(guò)程的自動(dòng)化繼續(xù)變得越來(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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?？梢酝ㄟ^(guò)更好的電容器選擇（使用具有更好ESL特性的組件）來(lái)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(kāi)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(guò)降低噪聲，較低的ESL有助于改善開(kāi)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％。