Esta semana seguimos co artigo da semana pasada.

1.2 Condensadores electrolíticos

O dieléctrico utilizado nos capacitores electrolíticos é o óxido de aluminio formado pola corrosión do aluminio, cunha constante dieléctrica de 8 a 8,5 e unha rigidez dieléctrica de traballo de aproximadamente 0,07 V/A (1 µm=10000 A).Non obstante, non é posible conseguir tal grosor.O grosor da capa de aluminio reduce o factor de capacidade (capacitancia específica) dos capacitores electrolíticos porque a folla de aluminio ten que ser gravada para formar unha película de óxido de aluminio para obter boas características de almacenamento de enerxía, e a superficie formará moitas superficies irregulares.Por outra banda, a resistividade do electrólito é de 150Ωcm para baixa tensión e 5kΩcm para alta tensión (500V).A maior resistividade do electrólito limita a corrente RMS que pode soportar o capacitor electrolítico, normalmente a 20 mA/µF.

Por estes motivos, os capacitores electrolíticos están deseñados para unha tensión máxima de 450 V típica (algúns fabricantes individuais deseñan para 600 V).Polo tanto, para obter voltaxes máis altas é necesario conseguilas conectando capacitores en serie.Non obstante, debido á diferenza de resistencia de illamento de cada capacitor electrolítico, debe conectarse unha resistencia a cada capacitor para equilibrar a tensión de cada capacitor conectado en serie.Ademais, os capacitores electrolíticos son dispositivos polarizados, e cando a tensión inversa aplicada supera 1,5 veces Un, prodúcese unha reacción electroquímica.Cando a tensión inversa aplicada sexa suficientemente longa, o capacitor derramarase.Para evitar este fenómeno, debe conectarse un díodo xunto a cada capacitor cando se use.Ademais, a resistencia de sobretensión dos capacitores electrolíticos é xeralmente 1,15 veces Un, e os bos poden chegar a 1,2 veces Un.Polo tanto, os deseñadores deben considerar non só a tensión de traballo en estado estacionario senón tamén a sobretensión cando os usan.En resumo, pódese debuxar a seguinte táboa de comparación entre capacitores de película e capacitores electrolíticos, ver Fig.1.

2. Análise da aplicación

Os condensadores DC-Link como filtros requiren deseños de alta corrente e alta capacidade.Un exemplo é o sistema de propulsión do motor principal dun vehículo de nova enerxía como se menciona na Fig.3.Nesta aplicación, o capacitor desempeña un papel de desacoplamento e o circuíto presenta unha alta corrente de funcionamento.O condensador de película DC-Link ten a vantaxe de poder soportar grandes correntes de funcionamento (Irms).Tome como exemplo os parámetros do vehículo de enerxía nova de 50 ~ 60 kW, os parámetros son os seguintes: tensión de funcionamento 330 Vdc, tensión de ondulación 10 Vrms, corrente de ondulación 150 Arms @ 10 KHz.

Entón a capacidade eléctrica mínima calcúlase como:

Isto é fácil de implementar para o deseño de condensadores de película.Asumindo que se usan capacitores electrolíticos, se se considera 20 mA/μF, a capacidade mínima dos capacitores electrolíticos calcúlase para cumprir os parámetros anteriores como segue:

Isto require varios capacitores electrolíticos conectados en paralelo para obter esta capacidade.

En aplicacións de sobretensión, como tren lixeiro, autobús eléctrico, metro, etc. Considerando que estas potencias están conectadas ao pantógrafo da locomotora a través do pantógrafo, o contacto entre o pantógrafo e o pantógrafo é intermitente durante o desprazamento do transporte.Cando os dous non están en contacto, a fonte de alimentación é apoiada polo capacitor de tinta DC-L e, cando se restablece o contacto, xérase a sobretensión.O peor dos casos é unha descarga completa do capacitor DC-Link cando está desconectado, onde a tensión de descarga é igual á tensión do pantógrafo e, cando se restablece o contacto, a sobretensión resultante é case dúas veces a Un de funcionamento nominal.Para os capacitores de película, o capacitor DC-Link pódese manexar sen consideración adicional.Se se usan capacitores electrolíticos, a sobretensión é de 1,2 Un.Tome o metro de Shanghai como exemplo.Un=1500Vdc, para que o condensador electrolítico considere a tensión é:

A continuación, os seis capacitores de 450 V deben conectarse en serie.Se o deseño do capacitor de película se usa en 600Vdc a 2000Vdc ou incluso 3000Vdc conséguese facilmente.Ademais, a enerxía no caso de descargar completamente o capacitor forma unha descarga de curtocircuíto entre os dous electrodos, xerando unha gran corrente de irrupción a través do capacitor DC-Link, que normalmente é diferente para que os capacitores electrolíticos cumpran os requisitos.

Ademais, en comparación cos capacitores electrolíticos, os capacitores de película DC-Link poden deseñarse para acadar unha ESR moi baixa (normalmente por debaixo de 10 mΩ, e incluso inferior a <1 mΩ) e un LS de autoinductancia (normalmente por debaixo de 100 nH, e nalgúns casos por debaixo de 10 ou 20 nH) .Isto permite que o capacitor de película DC-Link se instale directamente no módulo IGBT cando se aplique, permitindo que a barra de bus se integre no capacitor de película DC-Link, eliminando así a necesidade dun capacitor absorbente IGBT dedicado cando se usan capacitores de película, aforrando o deseñador unha cantidade importante de diñeiro.Fig.2.e 3 mostran as especificacións técnicas dalgúns dos produtos C3A e C3B.

3. Conclusión

Nos primeiros días, os capacitores DC-Link eran principalmente capacitores electrolíticos debido a consideracións de custo e tamaño.

Non obstante, os capacitores electrolíticos están afectados pola capacidade de resistencia á tensión e á corrente (ESR moito maior en comparación cos capacitores de película), polo que é necesario conectar varios capacitores electrolíticos en serie e en paralelo para obter unha gran capacidade e cumprir os requisitos do uso de alta tensión.Ademais, tendo en conta a volatilización do material electrólito, debe substituírse regularmente.As novas aplicacións enerxéticas requiren polo xeral unha vida útil do produto de 15 anos, polo que debe substituírse de 2 a 3 veces durante este período.Polo tanto, hai un custo e inconvenientes considerables no servizo posvenda de toda a máquina.Co desenvolvemento da tecnoloxía de recubrimento de metalización e a tecnoloxía de capacitores de película, foi posible producir condensadores de filtro de CC de alta capacidade cunha tensión de 450 V a 1200 V ou incluso superior con película OPP ultrafina (a máis fina de 2,7 µm, incluso 2,4 µm) usando tecnoloxía de vaporización de película de seguridade.Por outra banda, a integración de capacitores DC-Link coa barra de bus fai que o deseño do módulo inversor sexa máis compacto e reduce moito a inductancia perdida do circuíto para optimizar o circuíto.