אל תתנו לקבל DC Link להיות החוליה החלשה בתכן ממיר ההספק שלכם

קבלי DC Link‏ הם רכיב קריטי ביישומים רבים, כולל ממירים תלת-פאזיים עבור דוחפי מנועים של כלי רכב חשמליים (EV), מהפכים פוטו-וולטאיים ואנרגיית רוח, דוחפי מנועים תעשייתיים, מטענים משולבים לכלי-רכב, וספקי כוח לציוד רפואי או תעשייתי. העמידה בקצב הפיתוחים האחרונים היא חשובה. אם לא ממומשים כראוי, קבלי DC Link‏ יכולים להיות "חוליה חלשה" המפחיתה את צפיפות האנרגיה ופוגעת באמינות.

לרוע מזלם של המתכננים, בניגוד לטכנולוגיית מוליכים-למחצה המתקדמת בקצב מהיר, ההתקדמות בטכנולוגיית הקבלים היא איטית ועשויים שלא לזהות אותה. ואם להוסיף לאתגר, טכנולוגיות קבלים שונות מתקדמות בקצבים שונים: אלקטרוליט אלומיניום היא טכנולוגיה בוגרת יותר ומתפתחת לאט יותר, בעוד שקבלי פילם וקבלים קרמיים רב-שכבתיים (MLCC) מתקדמים מהר יותר. קבלי אלקטרוליט אלומיניום מציעים בדרך כלל קיבוליות גדולה יותר ליחידת נפח וצפיפות אנרגיה גבוהה יותר בהשוואה לקבלי פילם ו- MLCC‏; אך הפשרות אינן קבועות.

לדוגמה, שדרוג מתגי הספק עם התקנים בתדר גבוה יותר - כגון החלפת IGBT עם MOSFET או החלפת התקני סיליקון עם מתגים עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב - יכולה להיות הזדמנות טובה לשקול מחדש את בחירות העבר עבור קבלי DC Link‏. כל טכנולוגיית קבלי DC Link‏ מציעה מערך ייחודי של יכולות (איור 1‏).

איור 1: השוואה בין קבלי DC Link‏ המציגה מתח לעומת קיבוליות עבור הטכנולוגיות העיקריות. קבלי CeraLink מבית TDK הם קבלי MLCC הממוטבים עבור יישומי DC Link‏. (מקור התמונה: TDK Corporation)

קבלי אלקטרוליט אלומיניום הם קבלי DC Link‏ הנפוצים ביותר. הם מציעים שילוב של צפיפות אנרגיה גבוהה ועלות נמוכה. הם משמשים לעתים עבור דוחפי מנועים תעשייתיים, ספקי-כוח אל-פסק (UPS), ומגוון יישומים צרכניים, מסחריים ותעשייתיים. עם זאת, תוחלת החיים הקצרה יחסית שלהם והפעולה בתדר הנמוך עלולות למנוע את השימוש בהם ביישומים תובעניים יותר.

קבלי פילם נמצאים לעתים כאלמנט DC Link‏ ביישומים תובעניים יותר דוחפי הינע ברכבים חשמליים (EV). קבלי פילם הם בעלי אמינות גבוהה יותר, יכולת הולכת זרם גבוה, התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה יותר וניתן להשתמש בהם בתדרים גבוהים יותר בהשוואה לקבלי אלקטרוליט אלומיניום. אבלבדומה לקבלי אלקטרוליט אלומיניום, לקבלי פילם יש טמפרטורת פעולה נמוכה יחסית של כ- 105 מעלות צלזיוס (C‏°‏).

קבלי MLCC‏ מייצגים אפשרות שלישית. קבלים אלה הם בעלי דירוג זרם שורש ממוצע הריבועים (RMS‏) גבוה יותר ויכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר קבלים אחרים. החיסרון הוא שדרוש מספר גדול יחסית של קבלי MLCC‏ עבור צפיפות אנרגיה נתונה, מה שהופך את זה למאתגר במימוש של פרישת קבלים המבטיחה פילוג זרם שווה. בנוסף, יכולות להיות בעיות אמינות הקשורות לקבלי MLCC‏; החומר הדיאלקטרי הקרמי הוא קשיח ועלול להיסדק עקב מאמצים מכניים או תרמיים, ועלול ליצור קצר חשמלי בין ההדקים.

נראה שלא קיימת טכנולוגיית קבלים "מושלמת" עבור כל יישומי DC Link‏. כדי להגיע לפתרון התכן הטוב ביותר עבור פרויקט נתון, עליכם לבחון את הטכנולוגיה העדכנית ביותר ואת פיתוחי המוצר המתקדמים ביותר. לכן, בואו נשקול כמה מהפשרות והיכולות של סוגי התקנים מייצגים, כולל קבלי אלקטרוליט אלומיניום מבית Cornell Dubilier Electronics, קבלי פילם מבית KEMET וקבלי MLCC מבית TDK Corporation.

קבלים אלקטרוליטיים עבור תכני אדווה גבוהה

עבור יישומים עם זרמי אדווה גבוהים, אתם יכולים להשתמש בסדרת 381LR מבית Cornell Dubilier Electronics בדירוגים של VDC‏ 200 עד VDC‏ 450 ו- 56 עד 2,200 מיקרו-פאראד (µF) היכולים לטפל בלכל הפחות 25% יותר זרם אדווה בהשוואה לקבלי אלקטרוליט אלומיניום בהצמדה סטנדרטיים (Snap-in‏) של C‏°‏105 (איור 2‏). הפיתוחים האחרונים בנוסחאות האלקטרוליט הם המפתח ל- ESR הנמוך שלהם המעניק לקבלים אלו את יכולת זרם האדווה שלהם. המשמעות היא שדרושים פחות קבלים בדוחפי מנועים, ספקי-כוח אל-פסק (UPS) ויישומי זרם אדווה גבוה אחרים.

איור 2: קבלי אלקטרוליט אלומיניום 381LR הם בדירוגים של 200 עד 450 וולט DC‏ ו- µF‏ 56 עד µF‏ 2,200‏. (מקור התמונה: Jeff Shepard, מבוסס על חומר מקורי של Cornell Dubilier Electronics)

קבלי פילם עבור דוחפי הינע לכלי-רכב

אם אתם מתכננים מערכות עבור סביבות קשות כגון דוחפי הינע לכלי-רכב, קבלי הפילם C4AK‏ DC Link‏ מבית KEMET עם אורך חיים של 4,000 שעות ב- C‏ִ°‏125‏ ו- 1,000 שעות ב- C‏ִ°‏135‏ הם אפשרות טובה (איור 3‏). מתוכננים עבור תכני מערכות קומפקטיים, להתקנים אלו יש פורמט תיבה רדיאלי עבור הרכבת לוח מעגלים מודפסים עם פרופיל נמוך והם מאפשרים שימוש בפחות קבלים במקביל כדי לטפל בזרמי שיא ואדווה.

איור 3‏: לקבלי פילם C4AK‏ DC Link‏ מבית KEMET יש אורך חיים של 4,000 שעות ב- C‏ִ°‏125‏ ו- 1,000 שעות ב- C‏ִ°‏135‏. (מקור התמונה: KEMET)

קבלי DC Link‏ C4AK‏ מתוכננים עבור שימוש בממירי הספק של מערכת EV בתדר גבוה ובזרם גבוה, ממירים פוטו-וולטאים ותאי דלק, מערכות אחסון אנרגיה, העברת הספק אלחוטית ויישומים תעשייתיים אחרים.

קבלי MLCC‏ עבור מוליכים-למחצה WBG מהירים

בעת שימוש ב- WBG, משפחת CeraLink FA (הרכבה גמישה) מבית TDK Corporation עשויה לספק פתרון הולם. המשפחה כוללת ערכי קיבוליות מ- µF‏ 0.25 עד µF‏ 10 ודירוגי מתח בין 500 ל- 900 וולט DC. לדוגמה, ה- B58035U9255M001 מדורג ל- µF‏ 2.5 ו- 900 וולט (איור 4). ההתקנים השונים במשפחת CeraLink ממוטבים לשימוש כקבלי DC Link‏, עם מאפיינים הכוללים:

• צפיפויות קיבוליות של µF‏ 2 עד µF‏ 5 לסמ"ק (cm³‏)
• השראות-עצמית נמוכה של 2.5 עד 4 ננו-הנרי (nH)
• היכולת להיות ממוקם קרוב מאוד להתקן ההספק המוליך-למחצה עם פעולה מותרת עד 150°C (לזמן מוגבל)
• ללא הגבלה על קצב שינוי (Slew Rate‏) המתח (dV/dt‏)

איור 4: ה- B58035U9255M001 הוא חלק ממשפחת CeraLink FA מבית TDK Corporation, קבל MLCC‏ µF‏ 2.5‏, 900 וולט. (מקור התמונה: TDK Corporation)

קבלי משפחת FA הם ברוחב של 9.1 מילימטרים (מ"מ) ובגובה של 7.4 מ"מ והם זמינים באורכים של 6.3 מ"מ, 9.3 מ"מ ו- 30.3 מ"מ. יש להם יכולת זרם אדווה של עד 47 אמפר (A‏) RMS‏.

סיכום

הגדרת קבל DC Link‏ היא חלק חשוב בתכנון ממירי הספק. כפי שהוצג, יש מגוון רחב של אפשרויות, הנתונות לשינויים. בחירה גרועה עלולה לגרום לממיר הספק שלא עומד בציפיות או יקר מדי. כדי להימנע מבחירה גרועה, עליכם להתעדכן בהתפתחויות האחרונות בטכנולוגיות ומוצרים של קבלי DC Link‏.