Tuần này, chúng ta sẽ phân tích việc sử dụng tụ điện màng thay vì tụ điện phân trong các tụ điện liên kết DC. Bài viết này sẽ được chia thành hai phần.

Với sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng mới, công nghệ dòng điện biến đổi được sử dụng phổ biến, và tụ điện DC-Link đặc biệt quan trọng như một trong những thiết bị chủ chốt cần lựa chọn. Tụ điện DC-Link trong bộ lọc DC thường yêu cầu dung lượng lớn, khả năng xử lý dòng điện cao và điện áp cao, v.v. Bằng cách so sánh đặc tính của tụ điện màng và tụ điện điện phân và phân tích các ứng dụng liên quan, bài báo này kết luận rằng trong các thiết kế mạch yêu cầu điện áp hoạt động cao, dòng điện gợn sóng cao (Irms), yêu cầu quá áp, đảo chiều điện áp, dòng khởi động cao (dV/dt) và tuổi thọ cao, với sự phát triển của công nghệ lắng đọng hơi kim loại và công nghệ tụ điện màng, tụ điện màng sẽ trở thành xu hướng để các nhà thiết kế thay thế tụ điện điện phân về hiệu suất và giá cả trong tương lai.

Với sự ra đời của các chính sách năng lượng mới và sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng mới ở nhiều quốc gia, sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan trong lĩnh vực này đã mang lại những cơ hội mới. Và tụ điện, với tư cách là một sản phẩm thiết yếu trong ngành công nghiệp liên quan ở khâu đầu nguồn, cũng đã có được những cơ hội phát triển mới. Trong năng lượng mới và xe năng lượng mới, tụ điện là thành phần quan trọng trong điều khiển năng lượng, quản lý điện năng, bộ biến tần và hệ thống chuyển đổi DC-AC, quyết định tuổi thọ của bộ chuyển đổi. Tuy nhiên, trong bộ biến tần, nguồn điện DC được sử dụng làm nguồn điện đầu vào, được kết nối với bộ biến tần thông qua một bus DC, được gọi là DC-Link hoặc DC support. Vì bộ biến tần nhận dòng điện xung RMS và đỉnh cao từ DC-Link, nó tạo ra điện áp xung cao trên DC-Link, khiến bộ biến tần khó chịu được. Do đó, tụ điện DC-Link cần thiết để hấp thụ dòng điện xung cao từ DC-Link và ngăn chặn sự dao động điện áp xung cao của bộ biến tần nằm trong phạm vi cho phép; mặt khác, nó cũng ngăn bộ biến tần bị ảnh hưởng bởi hiện tượng quá áp và quá áp thoáng qua trên DC-Link.

Sơ đồ nguyên lý sử dụng tụ điện DC-Link trong hệ thống năng lượng mới (bao gồm phát điện gió và phát điện quang điện) và hệ thống truyền động động cơ xe năng lượng mới được thể hiện trong Hình 1 và 2.

Hình 1 thể hiện cấu trúc mạch chuyển đổi điện gió, trong đó C1 là tụ DC-Link (thường được tích hợp vào mô-đun), C2 là tụ hấp thụ IGBT, C3 là tụ lọc LC (phía lưới), và C4 là tụ lọc DV/DT phía rôto. Hình 2 thể hiện công nghệ mạch chuyển đổi điện mặt trời, trong đó C1 là tụ lọc DC, C2 là tụ lọc EMI, C4 là tụ DC-Link, C6 là tụ lọc LC (phía lưới), C3 là tụ lọc DC, và C5 là tụ hấp thụ IPM/IGBT. Hình 3 thể hiện hệ thống điều khiển động cơ chính trong hệ thống xe năng lượng mới, trong đó C3 là tụ DC-Link và C4 là tụ hấp thụ IGBT.

Trong các ứng dụng năng lượng mới nêu trên, tụ điện DC-Link, với vai trò là thiết bị then chốt, đòi hỏi độ tin cậy cao và tuổi thọ dài trong các hệ thống phát điện gió, hệ thống phát điện quang điện và hệ thống xe năng lượng mới, do đó việc lựa chọn chúng đặc biệt quan trọng. Sau đây là so sánh các đặc tính của tụ điện màng và tụ điện điện phân, cùng với phân tích ứng dụng của chúng trong tụ điện DC-Link.

1. So sánh tính năng

1.1 Tụ điện màng

Nguyên lý của công nghệ mạ màng được giới thiệu đầu tiên như sau: một lớp kim loại đủ mỏng được hóa hơi trên bề mặt của vật liệu màng mỏng. Khi có khuyết tật trong vật liệu, lớp kim loại này có khả năng bay hơi và do đó cô lập điểm bị lỗi để bảo vệ, hiện tượng này được gọi là tự phục hồi.

Hình 4 minh họa nguyên lý của lớp phủ kim loại hóa, trong đó màng mỏng được xử lý sơ bộ (bằng phương pháp phóng điện corona hoặc các phương pháp khác) trước khi bay hơi để các phân tử kim loại có thể bám dính vào đó. Kim loại được bay hơi bằng cách hòa tan ở nhiệt độ cao trong chân không (1400℃ đến 1600℃ đối với nhôm và 400℃ đến 600℃ đối với kẽm), và hơi kim loại ngưng tụ trên bề mặt màng khi gặp màng đã nguội (nhiệt độ làm nguội màng -25℃ đến -35℃), do đó tạo thành lớp phủ kim loại. Sự phát triển của công nghệ kim loại hóa đã cải thiện độ bền điện môi của màng điện môi trên mỗi đơn vị độ dày, và thiết kế tụ điện cho ứng dụng xung hoặc phóng điện bằng công nghệ khô có thể đạt 500V/µm, và thiết kế tụ điện cho ứng dụng lọc DC có thể đạt 250V/µm. Tụ điện DC-Link thuộc loại sau, và theo tiêu chuẩn IEC61071, tụ điện ứng dụng trong điện tử công suất có thể chịu được sốc điện áp mạnh hơn và có thể đạt gấp 2 lần điện áp định mức.

Do đó, người dùng chỉ cần xem xét điện áp hoạt động định mức cần thiết cho thiết kế của họ. Tụ điện màng kim loại có điện trở nội thấp (ESR), cho phép chúng chịu được dòng điện gợn sóng lớn hơn; điện trở nội thấp hơn (ESL) đáp ứng yêu cầu thiết kế độ tự cảm thấp của biến tần và giảm hiệu ứng dao động ở tần số chuyển mạch.

Chất lượng của lớp điện môi màng, chất lượng của lớp phủ kim loại hóa, thiết kế tụ điện và quy trình sản xuất quyết định đặc tính tự phục hồi của tụ điện mạ kim loại. Lớp điện môi màng được sử dụng cho các tụ điện DC-Link chủ yếu là màng OPP.

Nội dung chương 1.2 sẽ được đăng tải trong bài viết tuần sau.