สัปดาห์นี้เราจะมาวิเคราะห์การใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มแทนตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ในตัวเก็บประจุแบบ DC-link บทความนี้จะแบ่งออกเป็นสองส่วน

ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ เทคโนโลยีควบคุมกระแสไฟฟ้าแบบแปรผันจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย และตัวเก็บประจุ DC-Link ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งในฐานะอุปกรณ์หลักอย่างหนึ่งที่ควรเลือกใช้ ตัวเก็บประจุ DC-Link ในวงจรกรองกระแสตรงโดยทั่วไปต้องการความจุสูง การประมวลผลกระแสสูง และแรงดันสูง เป็นต้น จากการเปรียบเทียบคุณลักษณะของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ และการวิเคราะห์การใช้งานที่เกี่ยวข้อง บทความนี้สรุปได้ว่า ในการออกแบบวงจรที่ต้องการแรงดันใช้งานสูง กระแสริปเปิลสูง (Irms) แรงดันเกิน การกลับขั้วแรงดัน กระแสไฟกระชากสูง (dV/dt) และอายุการใช้งานยาวนาน ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีการเคลือบโลหะด้วยไอระเหยและเทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มจะกลายเป็นแนวโน้มที่นักออกแบบจะใช้ทดแทนตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ในอนาคต ทั้งในด้านประสิทธิภาพและราคา

ด้วยการนำนโยบายด้านพลังงานใหม่มาใช้และการพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ในหลายประเทศ การพัฒนาอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องในสาขานี้จึงนำมาซึ่งโอกาสใหม่ ๆ และตัวเก็บประจุซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ต้นน้ำที่สำคัญก็ได้รับโอกาสในการพัฒนาใหม่เช่นกัน ในพลังงานใหม่และยานยนต์พลังงานใหม่ ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบสำคัญในการควบคุมพลังงาน การจัดการพลังงาน อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า และระบบแปลง DC-AC ซึ่งเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของตัวแปลง อย่างไรก็ตาม ในอินเวอร์เตอร์นั้น พลังงาน DC ถูกใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟเข้า ซึ่งเชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ผ่านบัส DC ที่เรียกว่า DC-Link หรือตัวรองรับ DC เนื่องจากอินเวอร์เตอร์ได้รับกระแสพัลส์ RMS และกระแสพัลส์สูงสุดสูงจาก DC-Link จึงทำให้เกิดแรงดันพัลส์สูงบน DC-Link ซึ่งทำให้อินเวอร์เตอร์รับมือได้ยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุ DC-Link เพื่อดูดซับกระแสพัลส์สูงจาก DC-Link และป้องกันไม่ให้แรงดันพัลส์สูงของอินเวอร์เตอร์ผันผวนอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ ในทางกลับกัน ยังช่วยป้องกันไม่ให้อินเวอร์เตอร์ได้รับผลกระทบจากแรงดันเกินและแรงดันเกินชั่วคราวบน DC-Link ด้วย

แผนภาพแสดงการใช้งานตัวเก็บประจุ DC-Link ในพลังงานใหม่ (รวมถึงการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมและการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์) และระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ของยานยนต์พลังงานใหม่ แสดงอยู่ในรูปที่ 1 และ 2

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างวงจรแปลงพลังงานลม โดยที่ C1 คือ DC-Link (โดยทั่วไปจะรวมอยู่ในโมดูล) C2 คือตัวเก็บประจุแบบดูดซับ IGBT C3 คือตัวกรอง LC (ด้านเน็ต) และ C4 คือตัวกรอง DV/DT ด้านโรเตอร์ รูปที่ 2 แสดงเทคโนโลยีวงจรแปลงพลังงาน PV โดยที่ C1 คือตัวกรอง DC C2 คือตัวกรอง EMI C4 คือ DC-Link C6 คือตัวกรอง LC (ด้านกริด) C3 คือตัวกรอง DC และ C5 คือตัวเก็บประจุแบบดูดซับ IPM/IGBT รูปที่ 3 แสดงระบบขับเคลื่อนมอเตอร์หลักในระบบยานยนต์พลังงานใหม่ โดยที่ C3 คือ DC-Link และ C4 คือตัวเก็บประจุแบบดูดซับ IGBT

ในแอปพลิเคชันพลังงานใหม่ที่กล่าวมาข้างต้น ตัวเก็บประจุ DC-Link เป็นอุปกรณ์สำคัญที่จำเป็นต่อความน่าเชื่อถือสูงและอายุการใช้งานที่ยาวนานในระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลม ระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ และระบบยานยนต์พลังงานใหม่ ดังนั้นการเลือกใช้ตัวเก็บประจุจึงมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง ต่อไปนี้เป็นการเปรียบเทียบคุณลักษณะของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ และการวิเคราะห์การใช้งานตัวเก็บประจุ DC-Link

1. การเปรียบเทียบคุณสมบัติ

1.1 ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

ขั้นแรกจะกล่าวถึงหลักการของเทคโนโลยีการเคลือบโลหะด้วยฟิล์ม: คือการระเหยชั้นโลหะบางๆ ลงบนพื้นผิวของสื่อฟิล์มบาง ในกรณีที่มีข้อบกพร่องในสื่อ ชั้นโลหะจะระเหยไปและแยกจุดที่ชำรุดนั้นออกเพื่อป้องกัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการซ่อมแซมตัวเอง

รูปที่ 4 แสดงหลักการของการเคลือบโลหะ โดยที่ตัวกลางฟิล์มบางจะถูกเตรียมการล่วงหน้า (เช่น การเคลือบด้วยโคโรนา) ก่อนการระเหย เพื่อให้โมเลกุลของโลหะสามารถยึดเกาะได้ โลหะจะถูกระเหยโดยการละลายที่อุณหภูมิสูงภายใต้สุญญากาศ (1400℃ ถึง 1600℃ สำหรับอะลูมิเนียม และ 400℃ ถึง 600℃ สำหรับสังกะสี) และไอโลหะจะควบแน่นบนพื้นผิวของฟิล์มเมื่อสัมผัสกับฟิล์มที่เย็นลง (อุณหภูมิการเย็นตัวของฟิล์ม -25℃ ถึง -35℃) จึงเกิดเป็นชั้นเคลือบโลหะ การพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบโลหะได้ปรับปรุงความแข็งแรงของฉนวนฟิล์มต่อหน่วยความหนา และการออกแบบตัวเก็บประจุสำหรับการใช้งานแบบพัลส์หรือการปล่อยประจุด้วยเทคโนโลยีแบบแห้งสามารถเข้าถึง 500V/µm และการออกแบบตัวเก็บประจุสำหรับการใช้งานตัวกรอง DC สามารถเข้าถึง 250V/µm ตัวเก็บประจุ DC-Link จัดอยู่ในกลุ่มหลัง และตามมาตรฐาน IEC61071 สำหรับตัวเก็บประจุที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง สามารถทนต่อแรงกระแทกของแรงดันไฟฟ้าที่รุนแรงกว่า และสามารถเข้าถึงแรงดันไฟฟ้าได้ถึง 2 เท่าของแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

ดังนั้น ผู้ใช้จึงจำเป็นต้องพิจารณาเฉพาะแรงดันไฟฟ้าใช้งานที่กำหนดไว้ซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบของตนเท่านั้น ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโลหะมีค่า ESR ต่ำ ซึ่งช่วยให้ทนต่อกระแสริปเปิลที่มากขึ้นได้ ค่า ESL ที่ต่ำกว่านั้นตรงตามข้อกำหนดการออกแบบค่าเหนี่ยวนำต่ำของอินเวอร์เตอร์และลดผลกระทบจากการสั่นที่ความถี่สวิตช์

คุณภาพของฟิล์มไดอิเล็กทริก คุณภาพของการเคลือบโลหะ การออกแบบตัวเก็บประจุ และกระบวนการผลิต ล้วนเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติการซ่อมแซมตัวเองของตัวเก็บประจุแบบเคลือบโลหะ ฟิล์มไดอิเล็กทริกที่ใช้สำหรับตัวเก็บประจุ DC-Link ส่วนใหญ่คือฟิล์ม OPP

เนื้อหาของบทที่ 1.2 จะได้รับการตีพิมพ์ในบทความสัปดาห์หน้า