הבנת ובחירת קבלי פילם עבור יישומי הספקת-כוח

השימוש בפאנלים סולאריים וברכבים חשמליים (EV) ממשיך לעלות.
מערכות הספקת-הכוח שלהם מסתמכות על ממירי DC/DC וממירי DC/AC הדורשים קבלים כדי להפחית אדווה בתדר נמוך, לסנן רכיבים בתדר גבוה הגורמים להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ולספוג זרמי עומס טרנזיינטיים כדי למנוע מהם להשפיע על הצד הראשוני של מקור הספקת-כוח. קבלים עבור יישומי הספקת-כוח אלו חייבים להיות אמינים, קומפקטיים, קלים, בעלי חיים ארוכים ולהציג ביצועים טובים בתדרים גבוהים.

בעוד שקבלי פילם הם אופציה טובה עבור יישומי הספקת-כוח אלו, המתכננים חייבים להבין את המבנה והמאפיינים שלהם כדי לבחור את ההתקן הנכון.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של קבלי פילם. לאחר מכן, הוא דן בבחירתם ובשימוש בהם ביישומי הספקת-כוח באמצעות דוגמאות של Eaton-Electronics Division‏.

קבלי פילם

בדומה לכל הקבלים, קבלי פילם כוללים שתי לוחיות המופרדות על ידי דיאלקטרי מבודד המורכב מפילם פלסטיק דק, העשוי בדרך כלל מפוליפרופילן, דיאלקטרי בעל הפסדים נמוכים וחוזק גבוה (איור 1). הלוחיות המוליכות הן רדידי מתכת דקים או שכבה דקה של מתכת המשוקעת על הדיאלקטרי. הרדיד והפילם מלופפים סביב ליבה, חוטים מחוברים, והקבל סגור במארז פלסטיק ואטום בשרף אפוקסי המגן על הקבל מפני הסביבה.

איור 1‏: קבל פילם מורכב מליבה מלופפת המכילה שכבות מתכת ודיאלקטרי לסירוגין ואטומה בתוך מארז פלסטיק מגן. (מקור התמונה: Eaton-Electronics Division‏, עם שינויים על ידי Art Pini‏)

בעוד שלקבלי פילם יש צפיפות אנרגיה נמוכה יחסית, הם מציעים צפיפות קיבוליות גבוהה ומספר תכונות נוספות. ראשית, קבלי פילם הם לא-פולריים; כך שניתן להשתמש בהם במעגלי AC ו-DC כאחד. הדיאלקטרי היבש והמוצק שלהם מציע אמינות גבוהה יותר מקבלים עם אלקטרוליטים נוזליים או חצי-נוזליים, ויש להם ערך קיבוליות יציב עם יציבות טמפרטורה מעולה. השראות טורית אקוויוולנטית (ESL) והתנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR) נמוכות יותר תומכות בטיפול יעיל בזרמי אדווה גבוהים והופכות קבלי פילם למתאימים היטב עבור יישומים בתדר גבוה. אולי המאפיין המשמעותי ביותר של קבלי פילם הוא שהם בעלי יכולת ריפוי-עצמי. אם מתרחשת תקלת דיאלקטרי, נוצרת נקודה חמה מקומית המאדה מתכת סמוכה, יוצרת חור לא-מוליך ומאפשרת לקבל לתפקד כרגיל, ובכך מאריכה את חייו.

סוגי קבלי פילם

קבלי פילם מותאמים עבור יישומים ספציפיים, והסוגים הנפוצים הם קבלי בטיחות, קבלי DC Link‏, קבלי מסנן AC וקבלי פולסים. קבלי פילם לבטיחות מתוכננים עבור להנחית פליטות מולכות ביישומי סינון קווי AC‏. תקני בטיחות בינלאומיים רבים כוללים דרישות לגבי EMI מולך. חשבו על מטען DC המוזן באמצעות כבל כוח עבור רכב חשמלי. בתחנות DC עם טעינה מהירה, סינון EMI אופן-משותף ואופן-דיפרנציאלי באמצעות קבלים משמש כאימפדנס נמוך להסטת אותות רעש עם פיזור הספק מינימלי.

שיכוך EMI‏ משתמש במסנני קו הכוללים קבלי פילם בין קו הכוח לבין ספק הכוח הממותג (איור 2).

איור 2‏: קבלי פילם לבטיחות _X‏C‏ ו-_Y‏C‏ משולבים בתוך מסנני קו למנוע מ-EMI‏ מלהתפשט לקווי כוח. (מקור התמונה: Eaton-Electronics Division‏)

הקבלים המסומנים _X‏C‏ ממוקמים קו לקו ומפחיתים EMI אופן-דיפרנציאלי. הקבלים _Y‏C‏ מחווטים מכל קו להארקה ומפחיתים EMI אופן-משותף.

קבלי DC Link‏ משמשים כמסנני החלקה במעגלי DC הנמצאים בין דרגות AC. דוגמה לכך היא מסנן קבל-משרן (L-C) על אפיק DC‏ בין מעגלי דוחף המנוע לבין דרגות האינוורטר והמיישר (איור 3).

איור 3: מוצג קבל פילם DC המשמש במסנן L-C בין מעגלי דוחף המנוע לבין דרגות האינוורטר והמיישר. (מקור התמונה: Eaton-Electronics Division‏)

יחד עם דוחפי מנועים, קבלים אלה נמצאים לעתים קרובות גם באינוורטרים להספקת-כוח ובמעגלי טעינה אחרים בעלי הספק גבוה שבהם לכניסת AC וליציאת AC יש רמות מתח שונות. לדוגמה, בחנו אינוורטרים מבוזרים במערכת אנרגיה סולארית, שבה משתמשים בקבל פילם DC כדי להפחית רעש וטרנזיינטים בין דרגות (איור 4).

איור 4: קבל פילם DC Link‏ המשכך רעש וטרנזיינטים בין ממיר Boost‏ של מערכת הספקת-כוח סולארית לבין האינוורטר. (מקור התמונה: Eaton-Electronics Division‏)

קבל פילם מפחית אותות לא-רצויים בנקודה שבה קו _link‏V‏ מזין בחזרה למעגל הבקרה, ובכך משפר את הביצועים.

קבלי סינון AC מסייעים בסילוק תדרי הרמוניות לא-רצויים ביישומים כגון מקורות הספקת-כוח AC תלת-פאזיים (איור 5).

איור 5: מוצגים קבלי סינון AC המשמשים לסינון מקור הספקת-כוח תלת-פאזי. (מקור התמונה: Eaton-Electronics Division)

קבלי פילם לפולסים נועדו להגן על רכיבים רגישים מפני שינויי מתח dV/dt גבוהים. הם משמשים ביישומי אלקטרוניקה בפולסים ואינוורטרים הספקת-כוח. מתוכננים עבור צפיפות אנרגיה גבוהה, הם מספקים פרצי הספק מהירים במעגלים כגון ממירי הספקת-כוח מסוג Resonant Tank‏ (מעגל LC‏) (איור 6).

איור 6: קבל פילם לפולסים יוצר מעגל Resonant Tank‏ המכוון יחסית לתדר המיתוג של ממיר הספקת-הכוח, ובכך מבטל הרמוניות בסליל השניוני של השנאי. (מקור התמונה: חטיבת Eaton-Electronics)

מעגלי Resonant Tank‏ משפרים משמעותית את הנצילות של ממירי הספקת-כוח משרן-משרן-קבל (LLC‏). קבל פולסים משמש לכוונון מעגל LC יחסית לתדר המיתוג של ממיר הספקת-הכוח. מעגל Resonant Tank‏ מבטל הרמוניות בסליל השניוני של השנאי. בנוסף, Resonant Tank‏ מאפשר מיתוג רך במתגי ממיר הספקת-כוח, מפחית הפסדים ומגביר את הנצילות.

מבנה קבלי פילם

המאפיינים של כל סוג של קבל פילם נקבעים על ידי החומרים המשמשים והגיאומטריה של שכבות הפילם. לדוגמה, קבל סינון AC‏ EFACA25J155D032LH‏ של Eaton-Electronics Division הוא קבל של 1.5 מיקרו-פאראד (mF‏) %‏5‏±עם דירוג מתח מקסימלי של V‏ 250‏. הוא מורשה AEC-Q200 עבור יישומי רכב ודירוג THB סוג IIIB עבור חדירות לחות.

קבלי פילם מיוצרים על ידי שכבות לסירוגין של חומר דיאלקטרי מתכתי. עבור קבלים בעלי דירוג המתח הנמוך ביותר (_AC‏V‏ 180‏ עד _AC‏V‏ 300‏), השכבות לסירוגין מחוברות כל אחת למוליכים נפרדים. מספר שכבות במקביל מגדילות את הקיבוליות הכוללת, בעוד שחיבור שתי שכבות או יותר בטור מגדיל את דירוג המתח (איור 7).

איור 7: הוספת מספר קבלים בטור מגדילה את דירוג המתח של קבל פילם. (מקור התמונה: Eaton-Electronics Division‏)

המוליכים מחוברים לכל צד של פילם מצופה מתכת מפוצל להשגת דירוג מתח גבוה יותר (_AC‏V‏ 350‏ עד _AC‏V‏ 500‏). לשכבות לסירוגין יש פילם מצופה מתכת יחיד המבודד מהמוליכים ומשמש כלוח קבל משותף, וכתוצאה מכך נוצרים שני קבלים בטור. מבנה זה מגביר את מתח הפריצה של הזוג תוך הורדת הקיבוליות. על ידי הצבת מספר זוגות במקביל, המתכננים יכולים להגדיל את הקיבוליות.

באמצעות אותו עיקרון של סגמנטים מפוצלים מבודדים, הקבלים בדירוג של _AC‏V‏ 600‏ עד _AC‏V‏ 760‏ יוצרים שלושה קבלים בטור עבור כל קבוצה של זוגות חופפים.

יישומים ומבנה של קבלים לפולסים

קבלים לפולסים מתוכננים עבור יישומים עם dV/dt וזרמים גבוהים. הם מציגים ESR ו-ESL נמוכים המשפרים את יכולתם לספוג אנרגיה מקפיצות מתחים טרנזיינטים. תכונות הריפוי-העצמי שלהם מבטיחות פעולה אמינה לטווח ארוך.

קבלי פילם לפולסים מתאימים היטב עבור יישומי מגביל זרם (Snubber‏) בספקי-כוח ממותגים, שם הם מגנים על התקני מיתוג פעילים מפני קפיצות מתח ו-Ringing‏ המתרחשים במהלך המיתוג. לדוגמה, באיור 8, קבל פילם לפולסים (C1) בשילוב עם נגד (R1) ודיודה (D1) יוצרים מגביל זרם (Snubber‏) המשכך קפיצות מתח הנוצרות על ידי ההשראות הפרזיטית של השנאי במהלך כיבוי מתג ה-MOSFET.

איור 8: קבלי פילם לפולסים כגון C1 מתאימים היטב עבור יישומי מגביל זרם (Snubber‏) בספקי-כוח ממותגים, שם הם משככים קפיצות מתח הנוצרות על ידי ההשראות הפרזיטית של השנאי במהלך כיבוי מתג ה-MOSFET. (מקור התמונה: Art Pini)

כאשר ה-MOSFET נפתח בממיר הספקת-כוח מסוג Flyback‏, זרם המרזב (Drain‏) הוא בערכו המקסימלי. השראות השנאי פועלת לשמירה על זרם זה ומעלה במהירות את המתח. הקבל במעגל מגביל הזרם (Snubber‏), שבהתחלה אינו טעון, משכך את אנרגיית הקפיצה האינדוקטיבית, ומגן על מתג ה-MOSFET. זמן התגובה של הפעולה הקיבולית מתקצר על ידי שמירה על ESL נמוך, ומאפשר למגביל הזרם (Snubber‏) לטפל ב-dV/dt הגבוה של הטרנזיינט. ה-ESR הנמוך מאפשר את הזרמים הגבוהים הדרושים לשיכוך אנרגיית הטרנזיינט במהלך כיבוי המתג.

מבנה קבל פילם לפולסים ממוטב עבור טיפול ב-dV/dt‏ גבוה ובזרמים הנגרמים ממנו (איור 9‏).

איור 9: המבנה הפנימי של קבל פילם לפולסים משתמש בשכבת דיאלקטרי עם ציפוי מתכת דו-צדדי כדי להפחית את ה-ESR. (מקור התמונה: חטיבת Eaton-Electronics)

קבלי פילם לפולסים של Eaton-Electronics Division משתמשים בפילם דיאלקטרי עם ציפוי מתכת דו-צדדי המכפיל ביעילות את שטח המגע בין לוחית הקבל לבין חיבור המוליך, ובכך מוריד את ה-ESR של הקבל ומגדיל את יכולת הזרם שלו. לדוגמה, ה-EFPLS1GJ223B072LH‏ הוא קבל פילם לפולסים של mF‏ 0.022‏ %‏5‏± עם דירוג מתח מקסימלי של V‏ 1,600‏. יש לו ESR של 30 מילי-אוהם (mΩ) ו-ESL של 12 ננו-הנרי (nH). יש לו מפרט dV/dt מקסימלי של 6,000 וולט למיקרו-שנייה (V/µs) ודירוג זרם RMS של 3.2 אמפר, עם דירוג זרם שיא של 132 אמפר.

סדרת EFPLA הקשורה כוללת קבלי פילם לפולסים עבור סביבות קשות, כגון רכב, ועומדת במפרטי THB Grade IIIB ו-AEC-Q200. ה-EFPLA2AJ153B092LH‏ של Eaton‏, לדוגמה, הוא קבל פילם לפולסים של mF‏ 0.015‏ %‏5‏± המדורג עבור V‏ 2,000‏. יש לו ESR של mΩ‏ 45‏ ו-ESL‏ של nH‏ 12‏. יש לו מפרט dV/dt מקסימלי של V/µs‏ 4,500‏ ודירוג זרם RMS של A‏ 3‏, עם דירוג זרם שיא של A‏ 142.5‏.

סיכום

קבלי פילם משתמשים בטכנולוגיית חומר יבש לא-מקוטב עם צפיפות קיבוליות גבוהה. הם מציעים קיבוליות יציבה על פני הטמפרטורה, מטפלים בזרמי אדווה, מתחי פולסים וזעזועים גבוהים, ומתאימים עבור יישומי תדר והספק גבוהים. המבנה עם ציפוי מתכת שלהם מעניק גם יכולת ריפוי-עצמי, משפר את האמינות ואת חיי השירות והפעולה ומקל על מנגנון כשל עדין יותר. חטיבת Eaton-Electronics מציעה מגוון רחב וגדל של קבלי פילם פוליפרופילן עם ציפוי מתכת, המותאמים פונקציונלית עבור מגוון של יישומים וסביבות פעולה שונות.