สัปดาห์นี้เราจะต่อยอดจากบทความของสัปดาห์ที่แล้ว

1.2 ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลติก

ฉนวนที่ใช้ในตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์คืออะลูมิเนียมออกไซด์ที่เกิดจากการกัดกร่อนของอะลูมิเนียม โดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกอยู่ที่ 8 ถึง 8.5 และความแข็งแรงของไดอิเล็กตริกที่ใช้งานได้ประมาณ 0.07 V/A (1 µm = 10000 A) อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างความหนาของชั้นอะลูมิเนียมดังกล่าว ความหนาของชั้นอะลูมิเนียมจะลดค่าแฟคเตอร์ความจุ (ความจุจำเพาะ) ของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากแผ่นฟอยล์อะลูมิเนียมต้องถูกกัดเพื่อสร้างฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์เพื่อให้ได้คุณสมบัติการเก็บพลังงานที่ดี และพื้นผิวจะเกิดความไม่เรียบจำนวนมาก ในทางกลับกัน ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์อยู่ที่ 150 Ω·cm สำหรับแรงดันต่ำและ 5 kΩ·cm สำหรับแรงดันสูง (500 V) ความต้านทานที่สูงขึ้นของอิเล็กโทรไลต์จะจำกัดกระแส RMS ที่ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์สามารถทนได้ โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 20 mA/µF

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์จึงถูกออกแบบมาสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดโดยทั่วไปที่ 450V (ผู้ผลิตบางรายออกแบบสำหรับ 600V) ดังนั้น เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น จำเป็นต้องต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแตกต่างของความต้านทานฉนวนของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์แต่ละตัว จึงต้องต่อตัวต้านทานเข้ากับตัวเก็บประจุแต่ละตัวเพื่อปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุที่ต่ออนุกรมกัน นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์เป็นอุปกรณ์ที่มีขั้ว และเมื่อแรงดันย้อนกลับที่จ่ายเกิน 1.5 เท่าของ Un จะเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าขึ้น เมื่อแรงดันย้อนกลับที่จ่ายเป็นเวลานานพอ ตัวเก็บประจุจะเกิดการรั่วไหล เพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์นี้ ควรต่อไดโอดไว้ข้างๆ ตัวเก็บประจุแต่ละตัวเมื่อใช้งาน นอกจากนี้ ความต้านทานต่อแรงดันไฟกระชากของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์โดยทั่วไปอยู่ที่ 1.15 เท่าของ Un และตัวที่ดีสามารถสูงถึง 1.2 เท่าของ Un ดังนั้น ผู้ออกแบบจึงควรพิจารณาไม่เพียงแต่แรงดันไฟฟ้าใช้งานในสภาวะคงที่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงดันไฟกระชากด้วยเมื่อใช้งาน โดยสรุปแล้ว สามารถสรุปตารางเปรียบเทียบระหว่างตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ได้ดังแสดงในรูปที่ 1

2. การวิเคราะห์ใบสมัคร

ตัวเก็บประจุ DC-Link ที่ใช้เป็นตัวกรองนั้นต้องการการออกแบบที่รองรับกระแสสูงและความจุสูง ตัวอย่างเช่น ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์หลักของรถยนต์พลังงานใหม่ดังแสดงในรูปที่ 3 ในการใช้งานนี้ ตัวเก็บประจุทำหน้าที่แยกวงจร และวงจรมีกระแสการทำงานสูง ตัวเก็บประจุ DC-Link แบบฟิล์มมีข้อดีคือสามารถทนต่อกระแสการทำงานสูง (Irms) ได้ ยกตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์ของรถยนต์พลังงานใหม่ขนาด 50~60 กิโลวัตต์ มีดังนี้ แรงดันใช้งาน 330 Vdc, แรงดันริปเปิล 10Vrms, กระแสริปเปิล 150Arms@10KHz

จากนั้นจึงคำนวณความจุไฟฟ้าขั้นต่ำได้ดังนี้:

วิธีนี้ง่ายต่อการนำไปใช้ในการออกแบบตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม โดยสมมติว่าใช้ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ หากพิจารณาค่า 20mA/μF ค่าความจุขั้นต่ำของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์เพื่อให้ตรงตามพารามิเตอร์ข้างต้นจะคำนวณได้ดังนี้:

เพื่อให้ได้ค่าความจุนี้ จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์หลายตัวต่อขนานกัน

ในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแรงดันเกิน เช่น รถไฟฟ้ารางเบา รถโดยสารไฟฟ้า รถไฟใต้ดิน ฯลฯ เนื่องจากพลังงานเหล่านี้เชื่อมต่อกับแพนโทกราฟของหัวรถจักรผ่านทางแพนโทกราฟ การสัมผัสระหว่างแพนโทกราฟกับหัวรถจักรจึงเป็นแบบไม่ต่อเนื่องในระหว่างการเดินทาง เมื่อทั้งสองไม่สัมผัสกัน แหล่งจ่ายไฟจะได้รับการรองรับโดยตัวเก็บประจุ DC-Link และเมื่อการสัมผัสกลับมา แรงดันเกินก็จะเกิดขึ้น กรณีที่เลวร้ายที่สุดคือการคายประจุจนหมดของตัวเก็บประจุ DC-Link เมื่อตัดการเชื่อมต่อ โดยแรงดันคายประจุจะเท่ากับแรงดันแพนโทกราฟ และเมื่อการสัมผัสกลับมา แรงดันเกินที่เกิดขึ้นจะเกือบสองเท่าของค่า Un ที่กำหนดไว้ สำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม สามารถจัดการกับตัวเก็บประจุ DC-Link ได้โดยไม่ต้องพิจารณาเพิ่มเติม หากใช้ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ แรงดันเกินจะอยู่ที่ 1.2 Un ยกตัวอย่างเช่น รถไฟใต้ดินเซี่ยงไฮ้ Un = 1500 Vdc สำหรับตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ แรงดันที่ต้องพิจารณาคือ:

จากนั้นให้ต่อตัวเก็บประจุ 450V จำนวน 6 ตัวแบบอนุกรม หากใช้การออกแบบตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม จะสามารถทำแรงดันไฟฟ้าได้ตั้งแต่ 600Vdc ถึง 2000Vdc หรือแม้แต่ 3000Vdc ได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ พลังงานในกรณีที่ตัวเก็บประจุคายประจุจนหมด จะทำให้เกิดการคายประจุลัดวงจรระหว่างขั้วทั้งสอง ทำให้เกิดกระแสไฟกระชากขนาดใหญ่ไหลผ่านตัวเก็บประจุ DC-Link ซึ่งโดยปกติแล้วตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์จะไม่สามารถทำตามข้อกำหนดได้

นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลติก ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link สามารถออกแบบให้มีค่า ESR ต่ำมาก (โดยทั่วไปต่ำกว่า 10 มิลลิโอห์ม และต่ำกว่า 1 มิลลิโอห์ม) และค่าความเหนี่ยวนำในตัวเอง LS ต่ำมาก (โดยทั่วไปต่ำกว่า 100 นาโนเฮนรี และในบางกรณีต่ำกว่า 10 หรือ 20 นาโนเฮนรี) ทำให้สามารถติดตั้งตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link ลงในโมดูล IGBT ได้โดยตรงเมื่อใช้งาน ส่งผลให้สามารถรวมบัสบาร์เข้ากับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-Link ได้ จึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุดูดซับ IGBT เฉพาะเมื่อใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายให้กับผู้ออกแบบได้อย่างมาก รูปที่ 2 และ 3 แสดงข้อมูลจำเพาะทางเทคนิคของผลิตภัณฑ์ C3A และ C3B บางรุ่น

3. บทสรุป

ในยุคแรก ตัวเก็บประจุ DC-Link ส่วนใหญ่เป็นตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากข้อจำกัดด้านต้นทุนและขนาด

อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ได้รับผลกระทบจากความสามารถในการทนต่อแรงดันและกระแส (ค่า ESR สูงกว่าตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมาก) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องต่อตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์หลายตัวแบบอนุกรมและขนานเพื่อให้ได้ความจุสูงและตรงตามข้อกำหนดการใช้งานแรงดันสูง นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงการระเหยของวัสดุอิเล็กโทรไลต์ จึงจำเป็นต้องเปลี่ยนเป็นประจำ การใช้งานด้านพลังงานใหม่โดยทั่วไปต้องการอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ 15 ปี ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยน 2 ถึง 3 ครั้งในช่วงเวลานี้ จึงทำให้มีค่าใช้จ่ายและความไม่สะดวกอย่างมากในการบริการหลังการขายของเครื่องจักรทั้งหมด ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบโลหะและเทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ทำให้สามารถผลิตตัวเก็บประจุแบบกรองกระแสตรงความจุสูงที่มีแรงดันตั้งแต่ 450V ถึง 1200V หรือสูงกว่านั้นได้ โดยใช้ฟิล์ม OPP บางพิเศษ (บางที่สุด 2.7µm หรือแม้แต่ 2.4µm) โดยใช้เทคโนโลยีการระเหยฟิล์มที่ปลอดภัย ในทางกลับกัน การรวมตัวเก็บประจุ DC-Link เข้ากับบัสบาร์ทำให้การออกแบบโมดูลอินเวอร์เตอร์มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น และลดค่าความเหนี่ยวนำแฝงของวงจรได้อย่างมาก ส่งผลให้วงจรมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น