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

 

隨著(zhù)在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等新興趨勢的推動(dòng)下，制造和裝配過(guò)程的自動(dòng)化繼續變得越來(lái)越普遍，低電感電解電容器可以幫助在機器人和其他工業(yè)領(lǐng)域實(shí)現成本節省和性能提升設備。

 

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，以及用于穩定變頻電動(dòng)機驅動(dòng)器和固定頻率發(fā)電機的DC鏈路。相對于其他電容器技術(shù)，電解電容器可在較小的外殼尺寸內以低成本提供高電容，在600 V應用中通常是首選。

 

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。設計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，從而允許設計人員指定較低電壓等級的功率半導體。同樣，指定低電感器件可以減少所需的電容器數量，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的能量立即轉移到負載中，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，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電容器，并且阻抗會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而降低。隨著(zhù)頻率增加，阻抗特性開(kāi)始偏離并在自諧振頻率處達到最小值。在此頻率以上，感應行為起主導作用，阻抗增加。降低電容器的ESL會(huì )提高自諧振頻率。

 

對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電容器對于直流鏈路應用（例如工業(yè)逆變器驅動(dòng)器）而言是理想的，以最大程度地減少自發(fā)熱，同時(shí)增強對功率器件的保護。標準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。

 

內部電容器設計

 

大型螺旋式端子電解電容器的ESL主要內部組件是甲板端子，內部連接接線(xiàn)片和繞組，如圖1所示?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化內部布局以減少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)現的。圖1將標準電容器的內部布局與低電感模型進(jìn)行了比較，顯示了重新設計的功能如何將電感降低多達40％。

優(yōu)化的終端設計

 

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

 

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

 

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(xiàn)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(xiàn)上的峰值電壓具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括允許設計人員指定較低額定電壓的功率半導體，從而節省成本并提高功率密度。此外，可以使用更少的電容器來(lái)構建電容器組，以實(shí)現相同的性能，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

 

結論

 

降低功率電容器的ESL可以削減工業(yè)自動(dòng)化，機器人技術(shù)，電源管理和智能工廠(chǎng)設備中的材料清單。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電解電容器體現了設計創(chuàng )新，以減少互連的長(cháng)度并利用電感消除的優(yōu)勢。在較高電壓下，ESL降低的百分比最大，測得該電容器的ESL改善了40％。