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

1.2 Tụ điện

Chất điện môi được sử dụng trong tụ điện là nhôm oxit được hình thành do sự ăn mòn của nhôm, có hằng số điện môi từ 8 đến 8,5 và cường độ điện môi 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 công suất (điện dung riêng) của tụ điện vì lá nhôm phải được khắc axit tạo thành màng oxit nhôm mới có được đặc tính tích trữ năng lượng tốt, bề mặt sẽ hình thành nhiều bề mặt không bằng phẳng.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 sẽ hạn chế dòng điện RMS mà tụ điện điện phân có thể chịu được, thường ở mức 20mA/µF.

Vì những lý do này, tụ điện được thiết kế cho điện áp tối đa điển hình là 450V (một số nhà sản xuất riêng lẻ thiết kế cho điện áp 600V).Vì vậy, để đạt được điện áp cao hơn cần phải đạt được chúng bằng cách mắc nối tiếp các tụ điện.Tuy nhiên, do sự khác biệt về điện trở cách điện của mỗi tụ điện nên mỗi tụ điện phải mắc một điện trở để cân bằng điện áp của từng tụ điện nối tiếp.Ngoài ra, tụ điện là thiết bị phân cực và khi điện áp ngược đặt vào vượt quá 1,5 lần Un thì phản ứng điện hóa sẽ xảy ra.Khi điện áp ngược đặt vào đủ dài, tụ điện sẽ tràn ra ngoài.Để tránh hiện tượng này, mỗi tụ điện phải được kết nối một diode bên cạnh mỗi tụ điện khi sử dụng.Ngoài ra, điện trở tăng điện áp của tụ điện thường là 1,15 lần Un, loại tốt có thể đạt tới 1,2 lần Un.Vì vậy, các nhà thiết kế không chỉ nên xem xét điện áp làm việc ở trạng thái ổn định mà còn cả điện áp tăng vọt khi sử dụng chúng.Tóm lại, có thể rút ra bảng so sánh sau đây giữa tụ điện màng và tụ điện điện phân, xem Hình 1.

2. Phân tích ứng dụng

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

Khi đó công suất điện tối thiểu được tính như sau:

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

Điều này đòi hỏi nhiều tụ điện được kết nối song song để có được điện dung này.

Trong các ứng dụng quá điện áp, chẳng hạn như đường sắt nhẹ, xe buýt điện, tàu điện ngầm, v.v. Xét rằng các nguồn điện này được kết nối với cần lấy điện của đầu máy thông qua cần lấy điện, nên sự tiếp xúc giữa cần lấy điện và cần lấy điện không liên tục trong quá trình di chuyển.Khi cả hai không tiếp xúc, nguồn điện được hỗ trợ bởi tụ mực DC-L và khi tiếp điểm được phục hồi sẽ tạo ra hiện tượng quá điện áp.Trường hợp xấu nhất là tụ điện DC-Link phóng điện hoàn toàn khi ngắt kết nối, trong đó điện áp phóng điện bằng điện áp cần tiếp điện và khi tiếp điểm được phục hồi, kết quả là quá điện áp gần gấp đôi so với U hoạt động định mức.Đối với tụ điện dạng phim, tụ điện DC-Link có thể được xử lý mà không cần cân nhắc thêm.Nếu sử dụng tụ điện thì quá điện áp là 1,2Un.Lấy tàu điện ngầm Thượng Hải làm ví dụ.Un=1500Vdc, để tụ điện xét điện áp là:

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

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

3. Kết luận

Trong những ngày đầu, tụ điện DC-Link chủ yếu là tụ điện điện phân do cần cân nhắc về chi phí và kích thước.

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