डीसी-लिंक कपॅसिटरमध्ये इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरऐवजी फिल्म कपॅसिटरचे विश्लेषण (२)

या आठवड्यात आपण मागील आठवड्यातील लेख पुढे चालू ठेवणार आहोत.

१.२ इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर

इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरमध्ये वापरले जाणारे डायइलेक्ट्रिक हे ॲल्युमिनियमच्या क्षरणाने तयार झालेले ॲल्युमिनियम ऑक्साइड असते, ज्याचा डायइलेक्ट्रिक स्थिरांक ८ ते ८.५ असतो आणि कार्यरत डायइलेक्ट्रिक सामर्थ्य सुमारे ०.०७V/A (१µm=१००००A) असते. तथापि, इतकी जाडी मिळवणे शक्य नसते. ॲल्युमिनियमच्या थराच्या जाडीमुळे इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरचा कपॅसिटी फॅक्टर (विशिष्ट धारकता) कमी होतो, कारण चांगली ऊर्जा साठवण वैशिष्ट्ये मिळवण्यासाठी ॲल्युमिनियम ऑक्साइडचा थर तयार करण्याकरिता ॲल्युमिनियम फॉइलला कोरावे लागते आणि त्यामुळे पृष्ठभागावर अनेक असमान पृष्ठभाग तयार होतात. दुसरीकडे, इलेक्ट्रोलाइटची रोधकता कमी व्होल्टेजसाठी १५०Ωcm आणि उच्च व्होल्टेजसाठी (५००V) ५kΩcm असते. इलेक्ट्रोलाइटच्या या उच्च रोधकतेमुळे इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर सहन करू शकणाऱ्या RMS प्रवाहावर मर्यादा येते, जी साधारणपणे २०mA/µF इतकी असते.

या कारणांमुळे इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर सामान्यतः ४५०V च्या कमाल व्होल्टेजसाठी डिझाइन केलेले असतात (काही उत्पादक ६००V साठी डिझाइन करतात). म्हणून, उच्च व्होल्टेज मिळवण्यासाठी कपॅसिटर सिरीजमध्ये जोडणे आवश्यक असते. तथापि, प्रत्येक इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरच्या इन्सुलेशन रेझिस्टन्समधील फरकामुळे, सिरीजमध्ये जोडलेल्या प्रत्येक कपॅसिटरचे व्होल्टेज संतुलित करण्यासाठी प्रत्येक कपॅसिटरला एक रेझिस्टर जोडणे आवश्यक असते. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर हे पोलराइज्ड उपकरणे आहेत, आणि जेव्हा लागू केलेले रिव्हर्स व्होल्टेज १.५ पट Un पेक्षा जास्त होते, तेव्हा एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया घडते. जेव्हा लागू केलेले रिव्हर्स व्होल्टेज जास्त काळ टिकते, तेव्हा कपॅसिटरमधून व्होल्टेज बाहेर पडते. ही घटना टाळण्यासाठी, वापरताना प्रत्येक कपॅसिटरच्या शेजारी एक डायोड जोडला पाहिजे. शिवाय, इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरचा व्होल्टेज सर्ज रेझिस्टन्स साधारणपणे १.१५ पट Un असतो, आणि चांगल्या प्रतीचे कपॅसिटर १.२ पट Un पर्यंत पोहोचू शकतात. म्हणून डिझाइनर्सनी त्यांचा वापर करताना केवळ स्थिर-स्थितीतील कार्यरत व्होल्टेजचाच नव्हे, तर सर्ज व्होल्टेजचाही विचार केला पाहिजे. थोडक्यात, फिल्म कपॅसिटर आणि इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर यांच्यातील तुलनात्मक तक्ता काढता येतो, आकृती १ पहा.

२. अनुप्रयोग विश्लेषण

फिल्टर म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या डीसी-लिंक कपॅसिटरसाठी उच्च करंट आणि उच्च क्षमतेच्या डिझाइनची आवश्यकता असते. याचे एक उदाहरण म्हणजे आकृती ३ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे नवीन ऊर्जा वाहनाची मुख्य मोटर ड्राइव्ह प्रणाली. या ॲप्लिकेशनमध्ये कपॅसिटर डीकपलिंगची भूमिका बजावतो आणि सर्किटमध्ये उच्च ऑपरेटिंग करंट असतो. फिल्म डीसी-लिंक कपॅसिटरचा फायदा हा आहे की तो मोठा ऑपरेटिंग करंट (Irms) सहन करू शकतो. ५०~६०kW नवीन ऊर्जा वाहनाचे पॅरामीटर्स उदाहरण म्हणून घेतल्यास, ते खालीलप्रमाणे आहेत: ऑपरेटिंग व्होल्टेज ३३० Vdc, रिपल व्होल्टेज १०Vrms, रिपल करंट १५०Arms@१०KHz.

मग किमान विद्युत क्षमता खालीलप्रमाणे मोजली जाते:

फिल्म कपॅसिटरच्या डिझाइनसाठी हे लागू करणे सोपे आहे. इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर वापरले आहेत असे गृहीत धरल्यास, 20mA/μF विचारात घेतल्यास, वरील पॅरामीटर्स पूर्ण करण्यासाठी इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरची किमान कपॅसिटन्स खालीलप्रमाणे मोजली जाते:

ही धारकता मिळवण्यासाठी अनेक इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर समांतर जोडणीत लावावे लागतात.

लाईट रेल, इलेक्ट्रिक बस, सबवे इत्यादींसारख्या ओव्हर-व्होल्टेज ऍप्लिकेशन्समध्ये, हे लक्षात घेता की ही पॉवर पॅन्टोग्राफद्वारे लोकोमोटिव्ह पॅन्टोग्राफला जोडलेली असते, वाहतुकीच्या प्रवासादरम्यान पॅन्टोग्राफ आणि लोकोमोटिव्हमधील संपर्क खंडित होतो. जेव्हा दोन्ही संपर्कात नसतात, तेव्हा डीसी-लिंक इंक कपॅसिटरद्वारे वीज पुरवठा केला जातो आणि जेव्हा संपर्क पुन्हा प्रस्थापित होतो, तेव्हा ओव्हर-व्होल्टेज निर्माण होते. सर्वात वाईट परिस्थिती म्हणजे संपर्क तुटल्यावर डीसी-लिंक कपॅसिटर पूर्णपणे डिस्चार्ज होणे, जिथे डिस्चार्ज व्होल्टेज पॅन्टोग्राफ व्होल्टेजच्या बरोबर असते आणि जेव्हा संपर्क पुन्हा प्रस्थापित होतो, तेव्हा निर्माण होणारे ओव्हर-व्होल्टेज हे रेटेड ऑपरेटिंग Un च्या जवळपास दुप्पट असते. फिल्म कपॅसिटरसाठी, डीसी-लिंक कपॅसिटर कोणत्याही अतिरिक्त विचाराशिवाय हाताळला जाऊ शकतो. जर इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर वापरले, तर ओव्हर-व्होल्टेज 1.2Un असते. शांघाय मेट्रोचे उदाहरण घेऊया. Un=1500Vdc, इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरसाठी विचारात घेतलेले व्होल्टेज आहे:

त्यानंतर सहा ४५०V कपॅसिटर सिरीजमध्ये जोडायचे आहेत. जर फिल्म कपॅसिटर डिझाइन वापरले तर ६००Vdc ते २०००Vdc किंवा अगदी ३०००Vdc सहज साध्य करता येते. याव्यतिरिक्त, कपॅसिटर पूर्णपणे डिस्चार्ज झाल्यावर निर्माण होणारी ऊर्जा दोन इलेक्ट्रोडमध्ये शॉर्ट सर्किट डिस्चार्ज तयार करते, ज्यामुळे डीसी-लिंक कपॅसिटरमधून एक मोठा इनरश करंट निर्माण होतो, जो सामान्यतः इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी वेगळा असतो.

याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटरच्या तुलनेत, डीसी-लिंक फिल्म कपॅसिटर अत्यंत कमी ESR (साधारणपणे 10mΩ पेक्षा कमी, आणि त्याहूनही कमी <1mΩ) आणि सेल्फ-इंडक्टन्स LS (साधारणपणे 100nH पेक्षा कमी, आणि काही प्रकरणांमध्ये 10 किंवा 20nH पेक्षा कमी) साध्य करण्यासाठी डिझाइन केले जाऊ शकतात. यामुळे, डीसी-लिंक फिल्म कपॅसिटर वापरताना तो थेट IGBT मॉड्यूलमध्ये स्थापित करता येतो, ज्यामुळे बस बारला डीसी-लिंक फिल्म कपॅसिटरमध्येच समाकलित करता येते. यामुळे फिल्म कपॅसिटर वापरताना स्वतंत्र IGBT ॲबसॉर्बर कपॅसिटरची गरज नाहीशी होते, ज्यामुळे डिझाइनरच्या मोठ्या प्रमाणात पैशांची बचत होते. आकृती २ आणि ३ मध्ये C3A आणि C3B च्या काही उत्पादनांची तांत्रिक वैशिष्ट्ये दर्शविली आहेत.

३. निष्कर्ष

सुरुवातीच्या काळात, किंमत आणि आकाराच्या विचारांमुळे डीसी-लिंक कपॅसिटर हे प्रामुख्याने इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर होते.

तथापि, इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर व्होल्टेज आणि करंट सहन करण्याच्या क्षमतेमुळे प्रभावित होतात (फिल्म कपॅसिटरच्या तुलनेत खूप जास्त ESR), त्यामुळे मोठी क्षमता मिळवण्यासाठी आणि उच्च व्होल्टेज वापराच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी अनेक इलेक्ट्रोलाइटिक कपॅसिटर सिरीज आणि पॅरललमध्ये जोडणे आवश्यक असते. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइट पदार्थाच्या बाष्पीभवनाचा विचार करता, ते नियमितपणे बदलले पाहिजे. नवीन ऊर्जा अनुप्रयोगांमध्ये साधारणपणे १५ वर्षांच्या उत्पादनाच्या आयुर्मानाची आवश्यकता असते, त्यामुळे या कालावधीत ते २ ते ३ वेळा बदलले पाहिजे. त्यामुळे, संपूर्ण मशीनच्या विक्रीनंतरच्या सेवेमध्ये मोठा खर्च आणि गैरसोय होते. मेटलायझेशन कोटिंग तंत्रज्ञान आणि फिल्म कपॅसिटर तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे, सेफ्टी फिल्म व्हेपोरायझेशन तंत्रज्ञानाचा वापर करून अति-पातळ OPP फिल्म (सर्वात पातळ २.७µm, अगदी २.४µm) सह ४५०V ते १२००V किंवा त्याहूनही अधिक व्होल्टेज असलेले उच्च-क्षमतेचे DC फिल्टर कपॅसिटर तयार करणे शक्य झाले आहे. दुसरीकडे, बस बारसोबत डीसी-लिंक कपॅसिटरचे एकत्रीकरण केल्याने इन्व्हर्टर मॉड्यूलची रचना अधिक संक्षिप्त होते आणि सर्किटमधील विचलित प्रेरकत्व मोठ्या प्रमाणात कमी होऊन सर्किट अनुकूलित होते.