Esta semana continuamos con el artículo de la semana pasada.

1.2 Condensadores electrolíticos

El dieléctrico utilizado en los condensadores electrolíticos es óxido de aluminio formado por la corrosión del aluminio, con una constante dieléctrica de 8 a 8,5 y una rigidez dieléctrica de trabajo de aproximadamente 0,07 V/A (1 µm = 10000 A).Sin embargo, no es posible conseguir tal espesor.El espesor de la capa de aluminio reduce el factor de capacidad (capacitancia específica) de los capacitores electrolíticos porque el papel de aluminio debe grabarse para formar una película de óxido de aluminio para obtener buenas características de almacenamiento de energía, y la superficie formará muchas superficies irregulares.Por otro lado, la resistividad del electrolito es de 150Ωcm para bajo voltaje y de 5kΩcm para alto voltaje (500V).La mayor resistividad del electrolito limita la corriente RMS que el condensador electrolítico puede soportar, normalmente a 20 mA/μF.

Por estas razones, los condensadores electrolíticos están diseñados para un voltaje máximo típico de 450 V (algunos fabricantes individuales diseñan para 600 V).Por tanto, para obtener tensiones más altas es necesario conseguirlas conectando condensadores en serie.Sin embargo, debido a la diferencia en la resistencia de aislamiento de cada capacitor electrolítico, se debe conectar una resistencia a cada capacitor para equilibrar el voltaje de cada capacitor conectado en serie.Además, los condensadores electrolíticos son dispositivos polarizados y cuando el voltaje inverso aplicado supera 1,5 veces Un, se produce una reacción electroquímica.Cuando el voltaje inverso aplicado es lo suficientemente largo, el capacitor se derramará.Para evitar este fenómeno, se debe conectar un diodo al lado de cada condensador cuando se utilice.Además, la resistencia a sobretensiones de los condensadores electrolíticos es generalmente de 1,15 veces Un, y los buenos pueden alcanzar 1,2 veces Un.Por lo tanto, los diseñadores deben considerar no solo el voltaje de trabajo en estado estable sino también el voltaje de sobretensión al usarlos.En resumen, se puede dibujar la siguiente tabla de comparación entre condensadores de película y condensadores electrolíticos, consulte la Fig.1.

2. Análisis de aplicaciones

Los condensadores DC-Link como filtros requieren diseños de alta corriente y alta capacidad.Un ejemplo es el sistema de accionamiento del motor principal de un vehículo de nueva energía, como se menciona en la Fig.3.En esta aplicación, el condensador desempeña un papel de desacoplamiento y el circuito presenta una corriente de funcionamiento elevada.El condensador de película DC-Link tiene la ventaja de poder soportar grandes corrientes de funcionamiento (Irms).Tome como ejemplo los parámetros del vehículo de nueva energía de 50 ~ 60 kW, los parámetros son los siguientes: voltaje de funcionamiento 330 V CC, voltaje de ondulación 10 Vrms, corriente de ondulación 150 Arms @ 10 KHz.

Entonces la capacidad eléctrica mínima se calcula como:

Esto es fácil de implementar para el diseño de condensadores de película.Suponiendo que se utilizan condensadores electrolíticos, si se consideran 20 mA/μF, la capacitancia mínima de los condensadores electrolíticos se calcula para cumplir con los parámetros anteriores de la siguiente manera:

Esto requiere múltiples condensadores electrolíticos conectados en paralelo para obtener esta capacitancia.

En aplicaciones de sobretensión, como tren ligero, autobús eléctrico, metro, etc. Considerando que estas potencias están conectadas al pantógrafo de la locomotora a través del pantógrafo, el contacto entre el pantógrafo y el pantógrafo es intermitente durante el viaje de transporte.Cuando los dos no están en contacto, la fuente de alimentación es respaldada por el condensador de tinta DC-L, y cuando se restablece el contacto, se genera sobretensión.El peor de los casos es una descarga completa del condensador DC-Link cuando se desconecta, donde el voltaje de descarga es igual al voltaje del pantógrafo, y cuando se restablece el contacto, la sobretensión resultante es casi dos veces la Un operativa nominal.Para los condensadores de película, el condensador DC-Link se puede manipular sin consideraciones adicionales.Si se utilizan condensadores electrolíticos la sobretensión es de 1,2Un.Tomemos como ejemplo el metro de Shanghai.Un=1500Vdc, para condensador electrolítico a considerar el voltaje es:

Luego se deben conectar en serie los seis condensadores de 450 V.Si se utiliza un diseño de condensador de película de 600 V CC a 2000 V CC o incluso 3000 V CC, se logra fácilmente.Además, la energía en el caso de que el capacitor se descargue completamente forma una descarga de cortocircuito entre los dos electrodos, generando una gran corriente de entrada a través del capacitor DC-Link, que generalmente es diferente para que los capacitores electrolíticos cumplan con los requisitos.

Además, en comparación con los condensadores electrolíticos, los condensadores de película DC-Link se pueden diseñar para lograr una ESR muy baja (normalmente por debajo de 10 mΩ, e incluso inferior a <1 mΩ) y una autoinductancia LS (normalmente por debajo de 100 nH y, en algunos casos, por debajo de 10 o 20 nH). .Esto permite que el capacitor de película DC-Link se instale directamente en el módulo IGBT cuando se aplica, permitiendo que la barra colectora se integre en el capacitor de película DC-Link, eliminando así la necesidad de un capacitor absorbente IGBT dedicado cuando se usan capacitores de película, ahorrando al diseñador una importante cantidad de dinero.Figura 2.y 3 muestran las especificaciones técnicas de algunos de los productos C3A y C3B.

3. Conclusión

Al principio, los condensadores DC-Link eran en su mayoría condensadores electrolíticos debido a consideraciones de costo y tamaño.

Sin embargo, los capacitores electrolíticos se ven afectados por la capacidad de soportar voltaje y corriente (ESR mucho mayor en comparación con los capacitores de película), por lo que es necesario conectar varios capacitores electrolíticos en serie y en paralelo para obtener una gran capacidad y cumplir con los requisitos del uso de alto voltaje.Además, teniendo en cuenta la volatilización del material electrolítico, éste debe sustituirse periódicamente.Las aplicaciones de nuevas energías generalmente requieren una vida útil del producto de 15 años, por lo que se debe reemplazar de 2 a 3 veces durante este período.Por lo tanto, existe un coste e inconvenientes considerables en el servicio posventa de toda la máquina.Con el desarrollo de la tecnología de recubrimiento de metalización y la tecnología de condensadores de película, ha sido posible producir condensadores de filtro de CC de alta capacidad con un voltaje de 450 V a 1200 V o incluso superior con una película OPP ultrafina (la más delgada de 2,7 µm, incluso 2,4 µm) utilizando Tecnología de vaporización de película de seguridad.Por otro lado, la integración de los condensadores DC-Link con la barra colectora hace que el diseño del módulo inversor sea más compacto y reduce en gran medida la inductancia parásita del circuito para optimizar el circuito.