Tuần này chúng ta tiếp tục với bài viết của tuần trước.

1.2 Tụ điện phân

Vật liệu điện môi được sử dụng trong tụ điện phân là oxit nhôm được hình thành do sự ăn mòn của nhôm, có hằng số điện môi từ 8 đến 8,5 và độ bền điện môi khi làm việc khoảng 0,07V/A (1µm=10000A). Tuy nhiên, không thể đạt được độ dày như vậy. Độ dày của lớp nhôm làm giảm hệ số điện dung (điện dung riêng) của tụ điện phân vì lá nhôm phải được khắc để tạo thành màng oxit nhôm nhằm đạt được đặc tính lưu trữ năng lượng tốt, và bề mặt sẽ tạo ra nhiều bề mặt không đồng đều. Mặt khác, điện trở suất của chất điện phân là 150Ωcm đối với điện áp thấp và 5kΩcm đối với điện áp cao (500V). Điện trở suất cao hơn của chất điện phân giới hạn dòng điện RMS mà tụ điện phân có thể chịu được, thông thường là 20mA/µF.

Vì những lý do này, tụ điện phân được thiết kế cho điện áp tối đa điển hình là 450V (một số nhà sản xuất thiết kế cho 600V). Do đó, để đạt được điện áp cao hơn, cần phải mắc nối tiếp các tụ điện. Tuy nhiên, do sự khác biệt về điện trở cách điện của mỗi tụ điện phân, cần phải mắc thêm một điện trở vào mỗi tụ để cân bằng điện áp của từng tụ mắc nối tiếp. Ngoài ra, tụ điện phân là thiết bị phân cực, và khi điện áp ngược đặt vào vượt quá 1,5 lần Un, phản ứng điện hóa sẽ xảy ra. Khi điện áp ngược đặt vào đủ lâu, tụ điện sẽ bị tràn. Để tránh hiện tượng này, cần phải mắc thêm một đi-ốt bên cạnh mỗi tụ điện khi sử dụng. Bên cạnh đó, điện trở chịu xung điện áp của tụ điện phân thường là 1,15 lần Un, và loại tốt có thể đạt đến 1,2 lần Un. Vì vậy, các nhà thiết kế cần xem xét không chỉ điện áp làm việc ổn định mà còn cả điện áp xung khi sử dụng chúng. Tóm lại, có thể lập bảng so sánh giữa tụ điện màng và tụ điện phân như sau, xem Hình 1.

2. Phân tích ứng dụng

Tụ điện DC-Link dùng làm bộ lọc yêu cầu thiết kế có dòng điện và dung lượng cao. Ví dụ như hệ thống truyền động động cơ chính của xe năng lượng mới như đã đề cập trong Hình 3. Trong ứng dụng này, tụ điện đóng vai trò tách mạch và mạch có dòng điện hoạt động cao. Tụ điện DC-Link dạng màng có ưu điểm là chịu được dòng điện hoạt động lớn (Irms). Lấy ví dụ thông số của xe năng lượng mới 50~60kW, các thông số như sau: điện áp hoạt động 330 Vdc, điện áp gợn sóng 10Vrms, dòng điện gợn sóng 150Arms@10KHz.

Sau đó, công suất điện tối thiểu được tính như sau:

Điều này rất dễ thực hiện trong thiết kế tụ điện màng. Giả sử sử dụng tụ điện điện phân, nếu xét đến 20mA/μF, thì điện dung tối thiểu của tụ điện điện phân được tính toán để đáp ứng các thông số trên như sau:

Điều này đòi hỏi phải mắc song song nhiều tụ điện phân để đạt được điện dung này.

Trong các ứng dụng quá áp, chẳng hạn như đường sắt nhẹ, xe buýt điện, tàu điện ngầm, v.v., xét đến việc các nguồn điện này được kết nối với cần lấy điện của đầu máy thông qua cần lấy điện, sự tiếp xúc giữa cần lấy điện và cần lấy điện là không liên tục trong quá trình vận hành. Khi hai bộ phận này không tiếp xúc, nguồn điện được cung cấp bởi tụ điện DC-Link, và khi tiếp xúc được khôi phục, quá áp sẽ được tạo ra. Trường hợp xấu nhất là khi tụ điện DC-Link bị xả hết điện hoàn toàn, điện áp xả bằng điện áp cần lấy điện, và khi tiếp xúc được khôi phục, quá áp tạo ra gần gấp đôi điện áp hoạt động định mức Un. Đối với tụ điện màng, tụ điện DC-Link có thể được xử lý mà không cần xem xét thêm. Nếu sử dụng tụ điện phân, quá áp là 1,2 Un. Lấy tàu điện ngầm Thượng Hải làm ví dụ. Un = 1500Vdc, đối với tụ điện phân cần xem xét điện áp là:

Sau đó, sáu tụ điện 450V sẽ được mắc nối tiếp. Nếu sử dụng thiết kế tụ màng, điện áp DC từ 600V đến 2000V hoặc thậm chí 3000V có thể dễ dàng đạt được. Ngoài ra, năng lượng trong trường hợp xả hết tụ điện sẽ tạo ra hiện tượng phóng điện ngắn mạch giữa hai điện cực, tạo ra dòng điện khởi động lớn qua tụ điện DC-Link, điều này thường khác với tụ điện phân để đáp ứng yêu cầu.

Ngoài ra, so với tụ điện phân, tụ điện màng DC-Link có thể được thiết kế để đạt được điện trở nội ESR rất thấp (thường dưới 10mΩ, và thậm chí thấp hơn <1mΩ) và độ tự cảm LS (thường dưới 100nH, và trong một số trường hợp dưới 10 hoặc 20nH). Điều này cho phép tụ điện màng DC-Link được lắp đặt trực tiếp vào mô-đun IGBT khi sử dụng, cho phép tích hợp thanh dẫn vào tụ điện màng DC-Link, do đó loại bỏ nhu cầu sử dụng tụ hấp thụ IGBT chuyên dụng khi sử dụng tụ điện màng, giúp nhà thiết kế tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể. Hình 2 và 3 thể hiện các thông số kỹ thuật của một số sản phẩm C3A và C3B.

3. Kết luận

Ban đầu, tụ điện trong mạch DC-Link chủ yếu là tụ điện điện phân do yếu tố chi phí và kích thước.

Tuy nhiên, tụ điện phân bị ảnh hưởng bởi khả năng chịu điện áp và dòng điện (điện trở nội ESR cao hơn nhiều so với tụ điện màng), do đó cần phải mắc nối tiếp và song song nhiều tụ điện phân để đạt được dung lượng lớn và đáp ứng yêu cầu sử dụng điện áp cao. Ngoài ra, xét đến sự bay hơi của vật liệu điện phân, cần phải thay thế thường xuyên. Các ứng dụng năng lượng mới thường yêu cầu tuổi thọ sản phẩm là 15 năm, vì vậy cần phải thay thế từ 2 đến 3 lần trong thời gian này. Do đó, chi phí và sự bất tiện trong dịch vụ hậu mãi của toàn bộ máy là khá lớn. Với sự phát triển của công nghệ mạ kim loại và công nghệ tụ điện màng, người ta đã có thể sản xuất các tụ lọc DC dung lượng cao với điện áp từ 450V đến 1200V hoặc thậm chí cao hơn với màng OPP siêu mỏng (mỏng nhất là 2,7µm, thậm chí 2,4µm) bằng công nghệ bay hơi màng an toàn. Mặt khác, việc tích hợp tụ điện DC-Link với thanh dẫn giúp thiết kế mô-đun biến tần trở nên nhỏ gọn hơn và giảm đáng kể điện cảm ký sinh của mạch, từ đó tối ưu hóa mạch.