ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link คืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่?

ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ความต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานที่มากขึ้น ได้ผลักดันให้วิศวกรคิดใหม่เกี่ยวกับวิธีการจัดเก็บ กรอง และส่งมอบพลังงานภายในระบบการแปลงพลังงาน ในบรรดาองค์ประกอบเชิงรับจำนวนมากที่กำหนดความเสถียรและประสิทธิภาพของระบบเหล่านี้ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มดีซีลิงค์ ได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักที่สำคัญ แม้ว่ามักจะมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบแอคทีฟ เช่น สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ แต่ตัวเก็บประจุประเภทนี้มีบทบาทอย่างมากอย่างไม่เป็นสัดส่วนในการรับประกันว่าระบบต่างๆ เช่น อินเวอร์เตอร์ฉุดยานพาหนะไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ PV มอเตอร์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม และตัวแปลงกักเก็บพลังงานทำงานอย่างปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และมีความเครียดทางไฟฟ้าน้อยที่สุด

ทำความเข้าใจบทบาทของ DC Link ใน Power Electronics

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link จำเป็นต้องเข้าใจการทำงานของ DC link ภายในระบบการแปลงพลังงาน ในการออกแบบสมัยใหม่จำนวนมาก โดยเฉพาะการออกแบบที่ใช้สเตจ AC–DC หรือ DC–AC DC ลิงค์คือบัสระดับกลางที่เก็บพลังงานไฟฟ้าและทำให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ระหว่างกระบวนการแปลงอินพุตและเอาท์พุต

ตัวอย่างทั่วไปเกี่ยวข้องกับตัวแปลงไฟแบบสองขั้นตอน:

ขั้นตอนการแก้ไข AC–DC ซึ่งแปลงไฟ AC เป็น DC

ตัวแปลง DC–AC หรือ DC–DC ซึ่งปรับแรงดันไฟฟ้า กระแส หรือความถี่สำหรับการใช้งานเอาต์พุต

ระหว่างสองขั้นตอนนี้มีบัส DC และข้ามบัสนี้จะมีตัวเก็บประจุ DC-link ซึ่งรับผิดชอบสำหรับ:

• การลดระลอกแรงดันไฟฟ้า
• ดูดซับสัญญาณรบกวนการเปลี่ยนความถี่สูง
• ให้กระแสไฟทันทีเพื่อการเปลี่ยนแปลงโหลดที่รวดเร็ว
• การปกป้องอุปกรณ์สวิตชิ่งเซมิคอนดักเตอร์
• การรักษาเสถียรภาพของระบบโดยรวม

เนื่องจากระบบสมัยใหม่ใช้อุปกรณ์ที่สลับเร็ว เช่น IGBT, SiC MOSFET และ GaN HEMT ตัวเก็บประจุ DC-link จึงต้องทนต่อ dv/dt สูง กระแสกระเพื่อมสูง และอุณหภูมิในการทำงานสูง นี่คือเหตุผลว่าทำไมตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link จึงกลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการมากกว่าตัวเก็บประจุประเภทอื่นๆ อย่างรวดเร็ว

ตัวเก็บประจุฟิล์ม DC-link คืออะไร?

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link คือตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพีลีนหรือโพลีเอสเตอร์ที่เคลือบโลหะ ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อทำงานในสภาพแวดล้อมบัส DC แรงดันสูง ต่างจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งอาศัยอิเล็กโทรไลต์ที่สามารถแห้งเมื่อเวลาผ่านไป ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มใช้ฟิล์มพลาสติกบางๆ เป็นอิเล็กทริก ซึ่งให้ความเสถียรทางความร้อน ความแข็งแรงของฉนวน และคุณสมบัติการรักษาตัวเอง

คุณสมบัติโครงสร้างที่สำคัญ

• ฟิล์มเมทัลไลซ์ไดอิเล็กตริก
  ฟิล์มเคลือบด้วยชั้นโลหะ ให้ความเป็นฉนวนสูงและสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ

• กลไกการรักษาตนเอง
  เมื่อเกิดการพังทลายของอิเล็กทริกเฉพาะจุด โลหะที่ระเหยจะแยกโซนรอยเลื่อน เพื่อป้องกันความล้มเหลวจากภัยพิบัติ

• ESR ต่ำ (ความต้านทานซีรีย์เทียบเท่า)
  ลดการสร้างความร้อนและปรับปรุงการจัดการกระแสกระเพื่อม

• ESL ต่ำ (ตัวเหนี่ยวนำซีรีย์เทียบเท่า)
  เพิ่มประสิทธิภาพในวงจรสวิตชิ่งความถี่สูง

เนื่องจากคุณลักษณะเหล่านี้ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link จึงเหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานที่มีความต้องการสูงซึ่งมีโหลดกระเพื่อมอย่างต่อเนื่อง การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว และความต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนาน

เหตุใดตัวเก็บประจุแบบฟิล์มจึงครอบงำแอพพลิเคชั่น DC-link

แม้ว่าครั้งหนึ่งตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าเคยใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการออกแบบ DC-link แต่ความต้องการของอุตสาหกรรมก็เปลี่ยนไปอย่างมาก การย่อขนาด ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นทำให้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเป็นโซลูชันที่ต้องการ

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link มี ESR ต่ำกว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ช่วยให้สามารถรองรับกระแสกระเพื่อมที่สูงขึ้นด้วยความร้อนที่น้อยลง การตอบสนองความถี่ยังช่วยให้สามารถปราบปรามการสลับฮาร์โมนิคได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับคอนเวอร์เตอร์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ย่านความถี่กว้างความเร็วสูง เช่น SiC และ GaN

อายุยืนยาวเป็นพิเศษ

คุณสมบัติที่กำหนดของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มคืออายุการใช้งานที่ยาวนาน เมื่อไม่มีอิเล็กโทรไลต์เหลว จึงไม่เกิดการระเหยหรือการย่อยสลายทางเคมี ความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองช่วยยืดอายุการใช้งานแม้อยู่ภายใต้ความเครียดทางไฟฟ้า ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการทำงานที่เชื่อถือได้นาน 10-20 ปี

ปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อน

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มรักษาความจุความจุและความแข็งแรงของฉนวนให้คงที่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง รองรับการทำงานอย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมหรือยานยนต์ที่รุนแรง

ความปลอดภัยจากความล้มเหลว

เมื่อเกิดข้อผิดพลาด การซ่อมแซมตัวเองจะป้องกันการลัดวงจร ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการหยุดทำงานของระบบ ไฟไหม้ หรือความเสียหายของส่วนประกอบ ความน่าเชื่อถือนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในภาคส่วนที่คำนึงถึงความปลอดภัย เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า พลังงานลม และหน่วยพลังงานการบินและอวกาศ

พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่กำหนดตัวเก็บประจุฟิล์ม DC-link คุณภาพสูง

เมื่อออกแบบหรือเลือกตัวเก็บประจุฟิล์ม DC-link วิศวกรมักจะประเมินพารามิเตอร์หลักหลายตัว ตารางต่อไปนี้สรุปคุณลักษณะที่สำคัญ

พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link

การใช้งานที่ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link เป็นสิ่งจำเป็น

ความคล่องตัวและความน่าเชื่อถือของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ช่วยให้สามารถบูรณาการเข้ากับแอปพลิเคชันการแปลงพลังงานสมัยใหม่ที่หลากหลาย

อินเวอร์เตอร์พลังงานทดแทน

ระบบพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมอาศัยประสิทธิภาพ DC-link ที่เสถียรเป็นอย่างมาก ตัวเก็บประจุจะทำให้เอาต์พุต DC ที่ถูกแก้ไขมีความราบรื่น และรองรับความผันผวนของพลังงานอย่างรวดเร็วที่เกิดจากสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง คำสำคัญที่มีการเข้าชมสูง เช่น อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ตัวแปลงพลังงานหมุนเวียน และอินเวอร์เตอร์แบบผูกกริด สอดคล้องกับบทบาทของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ในภาคนี้โดยธรรมชาติ

อินเวอร์เตอร์ฉุดลากรถยนต์ไฟฟ้า

ในระบบส่งกำลัง EV ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link จะถูกวางไว้ระหว่างชุดแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ฉุดลาก ความสามารถในการรับมือกับกระแสกระเพื่อมสูงและต้านทานการสั่นสะเทือนช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเร่งความเร็วที่เสถียร การเบรกแบบสร้างใหม่ และการจัดการความร้อน อายุการใช้งานที่ยาวนานของส่วนประกอบมีส่วนสำคัญต่ออายุการใช้งานของระบบขับเคลื่อน EV

มอเตอร์ขับเคลื่อนและระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

มอเตอร์สมัยใหม่ใช้ไดรฟ์ความเร็วตัวแปรขั้นสูง ซึ่งต้องการการสลับอย่างรวดเร็วและการควบคุมกระแสที่แม่นยำ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ควบคุมแรงดันไฟฟ้า DC บัส ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และปกป้องอุปกรณ์สวิตชิ่งระหว่างการใช้งานหนัก

ระบบกักเก็บพลังงาน

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ใช้ตัวเก็บประจุ DC-link เพื่อรักษาการทำงานของบัส DC ที่เสถียร ช่วยให้สามารถชาร์จและคายประจุวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือสูงรองรับการปรับสมดุลพลังงานระดับกริดในระยะยาว

ตัวแปลง DC–DC กำลังแรงสูง

ตัวแปลง DC–DC ที่พบในวงจรเรียงกระแสโทรคมนาคม ระบบ UPS สำหรับศูนย์ข้อมูล และการใช้งานด้านการบินและอวกาศ ต้องการประสิทธิภาพบัส DC ระดับกลางที่เสถียร ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มตอบสนองความต้องการความถี่สูงและประสิทธิภาพสูงของระบบสวิตช์ที่รวดเร็วเหล่านี้

ข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเมื่อออกแบบสเตจ DC-link

การเลือกตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ที่เหมาะสมนั้นจำเป็นต้องมีความสมดุลอย่างรอบคอบระหว่างประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ขนาดทางกายภาพ และอายุการใช้งานที่คาดไว้

การเลือกแรงดันไฟฟ้า

ขอแนะนำให้เลือกตัวเก็บประจุที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้า DC บัสที่คาดไว้อย่างน้อย 20–30% สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงการลดพิกัดที่เหมาะสมในสภาวะที่ตึงเครียด เช่น แรงดันไฟเกินชั่วคราวชั่วคราว

ความสามารถปัจจุบันของระลอกคลื่น

กระแสริปเปิลเป็นหนึ่งในปัจจัยความเค้นหลักสำหรับตัวเก็บประจุดีซีลิงค์ ตัวเก็บประจุที่มีพิกัดกระแสกระเพื่อมไม่เพียงพอจะเกิดความร้อนมากเกินไปและเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควร วิศวกรมักจะประเมิน:

• อุณหภูมิแวดล้อม
• วิธีการทำความเย็น
• ความถี่ในการทำงาน
• เนื้อหาฮาร์มอนิก

เพื่อให้แน่ใจว่าตัวเก็บประจุที่เลือกสามารถรองรับภาระความร้อนได้

ESR และสมรรถนะทางความร้อน

ESR ต่ำช่วยลดการสูญเสียความร้อน ปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพการใช้พลังงานและอายุการใช้งานของส่วนประกอบ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบที่ใช้ตัวแปลงซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์ ซึ่งมีความถี่ในการสลับสูงกว่ามาก

เสถียรภาพทางกล

ในการใช้งานแบบเคลื่อนที่หรือเสี่ยงต่อการสั่นสะเทือน เช่น อินเวอร์เตอร์แบบฉุดลาก ตัวเก็บประจุจะต้องทนทานต่อแรงกระแทกทางกล โครงสร้างภายในที่แข็งแกร่งและโครงสร้างภายในที่มั่นคงป้องกันการเคลื่อนตัวของอิเล็กโทรดและรับประกันประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้

การสร้างแบบจำลองอายุการใช้งาน

วิศวกรมักใช้แบบจำลองอายุการใช้งานโดยพิจารณาจาก:

• อุณหภูมิจุดร้อน
• แรงดันไฟฟ้าขณะทำงาน
• กระแสระลอกคลื่น
• การปั่นจักรยานด้วยความร้อน

พฤติกรรมการเสื่อมสภาพที่คาดการณ์ได้ของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มทำให้เหมาะสำหรับระบบที่ต้องการรอบการบำรุงรักษาที่ยาวนาน

แนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่ผลักดันความต้องการตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ การใช้พลังงานไฟฟ้า และพลังงานสะอาดกำลังสร้างข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพใหม่สำหรับส่วนประกอบ DC-link

การนำเซมิคอนดักเตอร์แบบวงกว้างมาใช้

อิเล็กทรอนิกส์กำลังพึ่งพาอุปกรณ์ SiC และ GaN มากขึ้น ซึ่งเปลี่ยนได้เร็วขึ้นและทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าส่วนประกอบซิลิคอนแบบเดิม ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link มีความสามารถเฉพาะตัวในการจัดการกับความเค้นความถี่สูงที่เกิดขึ้น

ระบบความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น

เพื่อลดขนาดและน้ำหนักของระบบ คอนเวอร์เตอร์ได้รับการออกแบบด้วย:

• ความถี่การสลับที่สูงขึ้น
• รูปแบบการระบายความร้อนที่ปรับให้เหมาะสม
• การออกแบบ PCB ขนาดกะทัดรัด

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ที่มี ESL และ ESR ต่ำกว่ามีความจำเป็นต่อการรองรับสถาปัตยกรรมขนาดกะทัดรัดใหม่เหล่านี้

การใช้พลังงานไฟฟ้าของการขนส่ง

นอกเหนือจากรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับผู้โดยสารแล้ว การใช้พลังงานไฟฟ้ายังขยายไปสู่:

• รถเมล์ไฟฟ้า
• รถบรรทุกไฟฟ้า
• ระบบส่งกำลังไฮบริด
• ระบบฉุดรถไฟ
• การขับเคลื่อนทางทะเล

แต่ละตัวต้องการความเสถียรของบัส DC ที่แข็งแกร่งซึ่งมาจากตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link

การปรับปรุงกริดให้ทันสมัยและพลังงานแบบกระจายอำนาจ

เมื่อไมโครกริด ระบบกักเก็บพลังงาน และการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายแพร่หลายมากขึ้น ความต้องการส่วนประกอบที่มีความน่าเชื่อถือสูงก็เพิ่มขึ้นซึ่งสนับสนุนการแปลงพลังงานที่เสถียร

ประโยชน์ของการใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ในการออกแบบสมัยใหม่

โดยสรุปข้อดี ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link ให้:

เสถียรภาพที่ดีเยี่ยมและการสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ

ความสามารถกระแสกระเพื่อมสูง

ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง

การรักษาตนเองเพื่อความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น

อายุการใช้งานยาวนาน

ประสิทธิภาพความถี่สูงที่เหนือกว่า

ลดความเสี่ยงของความล้มเหลวจากภัยพิบัติ

ความเข้ากันได้กับระบบเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง

ประโยชน์เหล่านี้ทำให้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับตัวแปลงพลังงานประสิทธิภาพสูงและมีอายุการใช้งานยาวนาน

คำถามที่พบบ่อย

1. หน้าที่หลักของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link คืออะไร?

บทบาทหลักของมันคือการรักษาเสถียรภาพของบัส DC โดยการลดแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม การดูดซับสัญญาณรบกวนจากสวิตช์ และการจ่ายกระแสไฟทันทีระหว่างการเปลี่ยนแปลงโหลดในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

2. เหตุใดจึงเลือกใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมากกว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าสำหรับการใช้งาน DC-link

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมี ESR ที่ต่ำกว่า อายุการใช้งานยาวนานขึ้น มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้น และความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง ทำให้เชื่อถือได้มากขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความถี่สูงและพลังงานสูง

3. ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link สามารถทำงานร่วมกับเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างได้หรือไม่

ใช่. ความเหนี่ยวนำและความต้านทานต่ำทำให้เหมาะสำหรับตัวแปลงที่ใช้ SiC และ GaN ที่ต้องการความทนทานในการสลับความถี่สูง

4. ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม DC-link มักใช้ที่ไหน?

มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอินเวอร์เตอร์ EV, อินเวอร์เตอร์พลังงานหมุนเวียน, มอเตอร์ไดรฟ์, ตัวแปลง DC–DC ไฟฟ้าแรงสูง และอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม