เข้าใจและเลือกตัวประกอบละอองแผ่นบางสําหรับการใช้งานพลังงาน

การใช้แผงโซลาร์เซลล์และรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ระบบไฟฟ้าของพวกเขาอาศัยตัวแปลง DC/DC และอินเวอร์เตอร์ DC/AC โดยกำหนดให้ตัวเก็บประจุลดการกระเพื่อมความถี่ต่ำ กรองส่วนประกอบความถี่สูงที่ทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และดูดซับกระแสโหลดชั่วคราวเพื่อป้องกันไม่ให้ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อด้านปฐมภูมิของแหล่งจ่ายไฟ ตัวเก็บประจุที่ใช้ในการใช้พลังงานดังกล่าวจะต้องมีความน่าเชื่อถือ กะทัดรัด น้ำหนักเบา มีอายุการใช้งานยาวนาน และมีประสิทธิภาพความถี่สูงที่ดี

แม้ว่าตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางจะเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้านพลังงานเหล่านี้ แต่นักออกแบบจะต้องเข้าใจโครงสร้างและคุณลักษณะของตัวเก็บประจุจึงจะตัดสินใจเลือกได้อย่างเหมาะสม

บทความนี้จะแนะนำตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางโดยย่อ จากนั้น ให้ยกตัวอย่างผลิตภัณฑ์ของ Eaton Electronics Division เพื่ออภิปรายถึงวิธีการเลือกและใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางสำหรับการใช้งานด้านพลังงาน

ตัวเก็บประจุฟิล์ม
เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุอื่นๆ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มประกอบด้วยแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่นที่คั่นด้วยตัวกลางที่เป็นฉนวนที่ประกอบด้วยชั้นของฟิล์มพลาสติก ฟิล์มพลาสติกมักทำจากโพลีโพรพีลีนและเป็นสื่อที่มีการสูญเสียต่ำและมีความแข็งแรงสูง (รูปที่ 1) แผ่นนำไฟฟ้าคือฟอยล์โลหะบางๆ หรือชั้นโลหะบางๆ ที่สะสมอยู่บนอิเล็กทริก ห่อฟอยล์โลหะและฟิล์มรอบๆ เพลาแกน เชื่อมต่อสายไฟ จากนั้นห่อหุ้มตัวเก็บประจุไว้ในปลอกพลาสติก และปิดผนึกด้วยอีพอกซีเรซินเพื่อป้องกันจากอิทธิพลของสิ่งแวดล้อม

ภาพที่แสดงนี้เป็นตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางที่ประกอบด้วยแกนแกนพันแผลซึ่งมีชั้นโลหะสลับและชั้นไดอิเล็กทริก
รูปที่ 1: ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางประกอบด้วยแกนแกนพันแผลที่มีชั้นโลหะสลับและอิเล็กทริก ปิดผนึกไว้ในปลอกพลาสติกป้องกัน (แหล่งรูปภาพ: แผนก Eaton Electronics ดัดแปลงโดย Art Pini)

แม้ว่าความหนาแน่นพลังงานของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางจะค่อนข้างต่ำ แต่ก็มีความหนาแน่นของความจุสูงและมีลักษณะอื่น ๆ ประการแรก ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางไม่มีขั้วและเหมาะสำหรับทั้งวงจร AC และ DC เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือกึ่งของเหลว ไดอิเล็กตริกของแข็งแห้งของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางมีความน่าเชื่อถือที่สูงกว่า ค่าความจุที่เสถียร และความเสถียรของอุณหภูมิที่ดีเยี่ยม ตัวเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูล (ESL) ที่ต่ำกว่าและความต้านทานอนุกรมสมมูล (ESR) ช่วยให้มั่นใจในการจัดการกระแสกระเพื่อมสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความถี่สูง คุณสมบัติที่ใหญ่ที่สุดของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางอาจเป็นความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง หากเกิดการสลายด้วยอิเล็กทริก จะเกิดฮอตสปอตเฉพาะที่ ส่งผลให้โลหะที่อยู่ติดกันระเหยและกลายเป็นรูที่ไม่นำไฟฟ้า แต่ตัวเก็บประจุยังคงทำงานได้ตามปกติ จึงช่วยยืดอายุการใช้งาน

ตัวเก็บประจุฟิล์ม
ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานเฉพาะ โดยมีประเภททั่วไป ได้แก่ ความปลอดภัย ดีซีลิงค์ ตัวกรองไฟฟ้ากระแสสลับ และพัลส์ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มนิรภัยถูกใช้เพื่อลดการแผ่รังสีในการใช้งานในการกรองสายไฟฟ้ากระแสสลับ มาตรฐานความปลอดภัยสากลหลายฉบับระบุข้อกำหนดสำหรับการดำเนินการ EMI พิจารณาติดตั้งเครื่องชาร์จไฟฟ้ากระแสตรงที่จ่ายไฟผ่านวงจรให้กับรถยนต์ไฟฟ้า ในสถานีชาร์จเร็ว DC โหมดทั่วไปและโหมดดิฟเฟอเรนเชียลที่กรอง EMI ผ่านตัวเก็บประจุสามารถให้เส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับการโอนสัญญาณเสียงในขณะที่ใช้พลังงานน้อยที่สุด

การปราบปราม EMI ทำได้ผ่านตัวกรองบรรทัด ซึ่งรวมถึงตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบางระหว่างสายไฟและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (รูปที่ 2)

ตัวเก็บประจุฟิล์มนิรภัย CX และ CY ในฟิลเตอร์ไลน์ (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 2: ตัวเก็บประจุฟิล์มนิรภัย CX และ CY ถูกรวมเข้ากับตัวกรองสายเพื่อป้องกันไม่ให้ EMI แพร่กระจายไปยังสายไฟ (แหล่งรูปภาพ: แผนกอิเล็กทรอนิกส์ของ Eaton)

การวางตัวเก็บประจุที่มีป้ายกำกับว่า CX wire to wire สามารถลด EMI ในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลได้ ตัวเก็บประจุ CY เชื่อมต่อกับกราวด์จากแต่ละบรรทัดเพื่อลด EMI ในโหมดทั่วไป

ตัวเก็บประจุดีซีลิงค์เป็นฟิลเตอร์ปรับให้เรียบในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงระหว่างระยะไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวอย่างเช่น ติดตั้งตัวกรองตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนำ (LC) บนบัส DC ระหว่างวงจรเรียงกระแสและอินเวอร์เตอร์ของวงจรขับเคลื่อนมอเตอร์ (รูปที่ 3)