Алюминиевые электролитические конденсаторы для вставки постоянного тока

Конденсатор звена постоянного тока должен не только соответствовать требованиям к емкости системы, но также должен выдерживать постоянно растущие пульсации тока, поскольку плотность мощности OBC постоянно растет. В результате возникают более высокие потери мощности, которые нагревают всю систему, что может привести к снижению производительности и сокращению срока службы. Следовательно, для обеспечения конкурентоспособности неизбежно требуется система охлаждения, которая также подключена к конденсаторам звена постоянного тока. Чтобы удовлетворить эти требования, компания TDK разработала новую крупногабаритную серию B43652* для систем OBC, которая оптимизирована для базового охлаждения и идеально сочетает в себе все вышеупомянутые характеристики.

Правильный выбор конденсатора звена постоянного тока зависит от нескольких параметров. Номинальное напряжение (VR) рассчитывается на основе рабочего напряжения OBC и должно охватывать среднее плюс пиковое напряжение пульсаций. Для систем >500 В можно рассмотреть последовательное соединение конденсаторов. Номинальный пульсирующий ток IR, требуемый срок службы и диапазон рабочих температур определяются профилем предназначения OBC. Диапазон рабочих температур должен охватывать ожидаемые температуры окружающей среды на протяжении всего срока службы. Хотя некоторые требования заданы и вряд ли могут быть изменены, некоторые характеристики могут быть оптимизированы либо поставщиком, либо заказчиком. На срок службы алюминиевого электролитического конденсатора главным образом влияет температура его ядра. Как правило, высокие пульсации тока и повышенная температура окружающей среды значительно нагревают конденсатор и, следовательно, сокращают срок его службы. Основываясь на уравнении Аррениуса, можно предположить, что при увеличении температуры ядра на 10 К сокращение срока службы составит 50 %. Чтобы снизить температуру ядра при тех же условиях нагрузки, можно уменьшить ESR компонента и управление можно оптимизировать. В серии B43652* компания TDK разработала конденсатор большого размера, который имеет очень низкое ESR и улучшенное внутреннее термическое сопротивление на протяжении всего срока службы. Благодаря внешней системе охлаждения, обеспечивающей эффективную передачу тепла между дном корпуса конденсатора и радиатором, клиенты могут получить максимальную отдачу от этих конденсаторов, т.е. возможность высокого пульсационного тока для значительного увеличения срока службы. С экономической точки зрения такая оптимизация всегда предпочтительнее использования параллельного использования большего количества конденсаторов или конденсаторов с более длительным номинальным сроком службы.

Внутри алюминиевого электролитического конденсатора находится намоточный элемент, который, естественно, имеет гораздо более высокую теплопроводность в осевом направлении, чем в радиальном. Чтобы получить базовую опцию охлаждения, теплопроводность в осевом направлении была дополнительно улучшена для серии B43652. Прямой металлический контакт между намоточным элементом и дном банки снижает термическое сопротивление от горячей точки до банки, а улучшенная стабильность самого дна банки позволяет избежать вздутий в течение срока службы, которые могут ухудшить это тепловое соединение. Поскольку на нижней стороне конденсатора обычно имеется отверстие для сброса давления, которое блокируется радиатором, оно было перенесено на боковую стенку конденсатора. В целом, новая серия B43652 TDK представляет собой конденсаторы большого размера с боковой вентиляцией, предназначенные для приложений OBC, с возможностью базового охлаждения.

Улучшение этих конструктивных изменений можно увидеть на рисунке 4. Для стандартного конденсатора размером 35 x 40 мм внутреннее тепловое сопротивление в осевом направлении составляет 4,49 К/Вт, тогда как для улучшенной конструкции с боковой вентиляцией оно снижается до 0,6 К/Вт. серии В43652. Общее тепловое сопротивление от сердечника до окружающей среды также снижается на 20% с 15,1 К/Вт до 12 К/Вт благодаря металлическому контакту между элементом обмотки и дном банки.

На рисунке 5 представлено сравнение термического моделирования (температура и тепловой поток) конструкции с нижней вентиляцией с естественным соединением (слева) и конструкции с боковой вентиляцией с нижним охлаждением (справа). При подаче 1 Вт на конденсатор при температуре окружающей среды 85 °C для неохлаждаемой версии достигается температура ядра от 106 до 109 °C. Если посмотреть на тот же сценарий с конструкцией с боковой вентиляцией и базовым охлаждением, учитывая температуру радиатора 85 °C, температура ядра конденсаторов увеличится всего на 3 К до 88 °C. Это примерно на 20 К ниже, чем у конструкции без охлаждения, и означает увеличение срока службы примерно на 200%. Сравнивая моделирование теплового потока, видно, что сценарий с базовым охлаждением передает тепло в основном через дно банки. Виден градиент в осевом направлении, демонстрирующий слабую теплопередачу со стороны печатной платы и сильную теплопередачу с нижней стороны. Версия без охлаждения имеет градиент в другом направлении, передача тепла в основном происходит в направлении печатной платы. Следовательно, неохлаждаемая конструкция имеет слабый тепловой поток через нижнюю сторону и, кроме того, асимметричный тепловой поток для центральных конденсаторов. Кроме того, в то время как версия без охлаждения имеет разброс температур ядра, что означает тепловую асимметрию с центральными конденсаторами, имеющими более высокие температуры ядра, версия с базовым охлаждением не имеет такого разброса, что приводит к значительному снижению риска эскалации.