Aquesta setmana continuem amb l'article de la setmana passada.

1.2 Condensadors electrolítics

El dielèctric utilitzat en els condensadors electrolítics és òxid d'alumini format per la corrosió de l'alumini, amb una constant dielèctrica de 8 a 8,5 i una resistència dielèctrica de treball d'uns 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Tanmateix, no és possible aconseguir aquest gruix. El gruix de la capa d'alumini redueix el factor de capacitat (capacitància específica) dels condensadors electrolítics perquè la làmina d'alumini s'ha de gravar per formar una pel·lícula d'òxid d'alumini per obtenir bones característiques d'emmagatzematge d'energia, i la superfície formarà moltes superfícies irregulars. D'altra banda, la resistivitat de l'electròlit és de 150 Ω cm per a baixa tensió i de 5 kΩ cm per a alta tensió (500 V). La major resistivitat de l'electròlit limita el corrent RMS que pot suportar el condensador electrolític, normalment a 20 mA/µF.

Per aquestes raons, els condensadors electrolítics estan dissenyats per a una tensió màxima de 450 V típica (alguns fabricants individuals dissenyen per a 600 V). Per tant, per obtenir tensions més altes cal aconseguir-les connectant condensadors en sèrie. Tanmateix, a causa de la diferència en la resistència d'aïllament de cada condensador electrolític, cal connectar una resistència a cada condensador per equilibrar la tensió de cada condensador connectat en sèrie. A més, els condensadors electrolítics són dispositius polaritzats, i quan la tensió inversa aplicada supera 1,5 vegades Un, es produeix una reacció electroquímica. Quan la tensió inversa aplicada és prou llarga, el condensador es desbordarà. Per evitar aquest fenomen, s'ha de connectar un díode al costat de cada condensador quan s'utilitzi. A més, la resistència a les sobretensions dels condensadors electrolítics és generalment d'1,15 vegades Un, i els bons poden arribar a 1,2 vegades Un. Per tant, els dissenyadors han de tenir en compte no només la tensió de funcionament en estat estacionari, sinó també la sobretensió quan els utilitzen. En resum, es pot dibuixar la següent taula comparativa entre condensadors de pel·lícula i condensadors electrolítics, vegeu la figura 1.

2. Anàlisi d'aplicacions

Els condensadors d'enllaç de corrent continu com a filtres requereixen dissenys d'alt corrent i alta capacitat. Un exemple és el sistema d'accionament del motor principal d'un vehicle de nova energia, tal com es menciona a la figura 3. En aquesta aplicació, el condensador juga un paper de desacoblament i el circuit presenta un corrent de funcionament elevat. El condensador d'enllaç de corrent continu de pel·lícula té l'avantatge de poder suportar grans corrents de funcionament (Irms). Prenguem com a exemple els paràmetres d'un vehicle de nova energia de 50~60 kW, els paràmetres són els següents: tensió de funcionament 330 Vcc, tensió d'ondulació 10 Vrms, corrent d'ondulació 150 Arms a 10 KHz.

Aleshores, la capacitat elèctrica mínima es calcula com:

Això és fàcil d'implementar per al disseny de condensadors de pel·lícula. Suposant que s'utilitzen condensadors electrolítics, si es considera 20 mA/μF, la capacitància mínima dels condensadors electrolítics es calcula per complir els paràmetres anteriors de la manera següent:

Això requereix diversos condensadors electrolítics connectats en paral·lel per obtenir aquesta capacitància.

En aplicacions de sobretensió, com ara el tren lleuger, l'autobús elèctric, el metro, etc., tenint en compte que aquestes potències estan connectades al pantògraf de la locomotora a través del pantògraf, el contacte entre el pantògraf i el pantògraf és intermitent durant el trajecte. Quan els dos no estan en contacte, l'alimentació és suportada pel condensador de tinta DC-L, i quan es restableix el contacte, es genera la sobretensió. El pitjor cas és una descàrrega completa del condensador d'enllaç DC quan es desconnecta, on la tensió de descàrrega és igual a la tensió del pantògraf, i quan es restableix el contacte, la sobretensió resultant és gairebé dues vegades la Un de funcionament nominal. Per als condensadors de pel·lícula, el condensador d'enllaç DC es pot gestionar sense consideracions addicionals. Si s'utilitzen condensadors electrolítics, la sobretensió és d'1,2 Un. Prenguem com a exemple el metro de Xangai. Un = 1500 V CC, per al condensador electrolític a considerar la tensió és:

A continuació, els sis condensadors de 450 V s'han de connectar en sèrie. Si s'utilitza un disseny de condensador de pel·lícula, s'aconsegueix fàcilment de 600 V CC a 2000 V CC o fins i tot 3000 V CC. A més, l'energia en el cas de descarregar completament el condensador forma una descàrrega de curtcircuit entre els dos elèctrodes, generant un gran corrent d'irrupció a través del condensador d'enllaç de CC, que normalment és diferent per als condensadors electrolítics per complir els requisits.

A més, en comparació amb els condensadors electrolítics, els condensadors de pel·lícula DC-Link es poden dissenyar per aconseguir una ESR molt baixa (normalment per sota de 10 mΩ, i fins i tot inferior a <1 mΩ) i una autoinductància LS (normalment per sota de 100 nH, i en alguns casos per sota de 10 o 20 nH). Això permet instal·lar el condensador de pel·lícula DC-Link directament al mòdul IGBT quan s'aplica, permetent que la barra col·lectora s'integri al condensador de pel·lícula DC-Link, eliminant així la necessitat d'un condensador absorbent IGBT dedicat quan s'utilitzen condensadors de pel·lícula, estalviant al dissenyador una quantitat significativa de diners. Les figures 2 i 3 mostren les especificacions tècniques d'alguns dels productes C3A i C3B.

3. Conclusió

En els primers temps, els condensadors de corrent continu eren majoritàriament condensadors electrolítics a causa de consideracions de cost i mida.

Tanmateix, els condensadors electrolítics es veuen afectats per la capacitat de suport de voltatge i corrent (ESR molt més alta en comparació amb els condensadors de pel·lícula), per la qual cosa cal connectar diversos condensadors electrolítics en sèrie i paral·lel per obtenir una gran capacitat i complir els requisits d'ús d'alta tensió. A més, tenint en compte la volatilització del material electrolític, s'ha de substituir regularment. Les noves aplicacions energètiques generalment requereixen una vida útil del producte de 15 anys, per la qual cosa s'ha de substituir de 2 a 3 vegades durant aquest període. Per tant, hi ha un cost i inconvenients considerables en el servei postvenda de tota la màquina. Amb el desenvolupament de la tecnologia de recobriment de metal·lització i la tecnologia de condensadors de pel·lícula, ha estat possible produir condensadors de filtre de CC d'alta capacitat amb una tensió de 450 V a 1200 V o fins i tot superior amb pel·lícula OPP ultrafina (la més fina de 2,7 µm, fins i tot 2,4 µm) utilitzant tecnologia de vaporització de pel·lícula de seguretat. D'altra banda, la integració dels condensadors DC-Link amb la barra colectora fa que el disseny del mòdul inversor sigui més compacte i redueix considerablement la inductància dispersa del circuit per optimitzar el circuit.