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 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 = 10 000 A). Sin embargo, no es posible alcanzar dicho espesor. El espesor de la capa de aluminio reduce el factor de capacidad (capacidad específica) de los condensadores electrolíticos, ya que la lámina de aluminio debe grabarse para formar una película de óxido de aluminio que permita obtener buenas características de almacenamiento de energía, y la superficie formará muchas superficies irregulares. Por otro lado, la resistividad del electrolito es de 150 Ωcm para baja tensión y de 5 kΩcm para alta tensión (500 V). La mayor resistividad del electrolito limita la corriente RMS que el condensador electrolítico puede soportar, típicamente a 20 mA/µF.

Por estas razones, los condensadores electrolíticos están diseñados para una tensión máxima típica de 450 V (algunos fabricantes diseñan para 600 V). Por lo tanto, para obtener tensiones más altas, es necesario conectar condensadores en serie. Sin embargo, debido a la diferencia en la resistencia de aislamiento de cada condensador electrolítico, se debe conectar una resistencia a cada uno para equilibrar la tensión de cada condensador conectado en serie. Además, los condensadores electrolíticos son dispositivos polarizados, y cuando la tensión inversa aplicada supera 1,5 veces Un, se produce una reacción electroquímica. Si la tensión inversa aplicada es lo suficientemente larga, el condensador se desborda. Para evitar este fenómeno, se debe conectar un diodo junto a cada condensador cuando se utiliza. Además, la resistencia a las sobretensiones de los condensadores electrolíticos es generalmente de 1,15 veces Un, y los de buena calidad pueden alcanzar 1,2 veces Un. Por lo tanto, los diseñadores deben considerar no solo la tensión de funcionamiento en estado estacionario, sino también la sobretensión al utilizarlos. En resumen, se puede dibujar la siguiente tabla comparativa entre condensadores de película y condensadores electrolíticos (véase la Fig. 1).

2. Análisis de aplicaciones

Los condensadores de enlace de CC 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 una función de desacoplamiento y el circuito presenta una alta corriente de operación. El condensador de enlace de CC de película tiene la ventaja de soportar altas corrientes de operación (Irms). Tomemos como ejemplo los parámetros de un vehículo de nueva energía de 50 a 60 kW: tensión de operación 330 VCC, tensión de rizado 10 Vrms, corriente de rizado 150 Arms a 10 kHz.

Luego la capacidad eléctrica mínima se calcula como:

Esto es fácil de implementar en el diseño de condensadores de película. Suponiendo que se utilizan condensadores electrolíticos, si se considera 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 con sobretensión, como trenes ligeros, autobuses eléctricos, metro, etc., dado que estas fuentes de alimentación se conectan al pantógrafo de la locomotora a través del pantógrafo, el contacto entre ambos es intermitente durante el transporte. Cuando no hay contacto, la alimentación se alimenta mediante el condensador de tinta DC-L, y al restablecerse el contacto, se genera la sobretensión. El peor caso posible es una descarga completa del condensador de enlace de CC al desconectarse, donde la tensión de descarga es igual a la tensión del pantógrafo, y al restablecerse el contacto, la sobretensión resultante es casi el doble de la Un nominal de funcionamiento. En el caso de los condensadores de película, el condensador de enlace de CC puede gestionarse sin necesidad de consideraciones adicionales. Si se utilizan condensadores electrolíticos, la sobretensión es de 1,2 Un. Tomemos como ejemplo el metro de Shanghái. Un = 1500 V CC; para el condensador electrolítico, la tensión a considerar es:

Los seis condensadores de 450 V se conectan en serie. Si se utiliza un condensador de película de 600 V CC a 2000 V CC o incluso 3000 V CC, se alcanza fácilmente. Además, al descargarse completamente el condensador, la energía genera una descarga de cortocircuito entre los dos electrodos, lo que genera una gran corriente de entrada a través del condensador de enlace de CC, que suele ser diferente en los condensadores electrolíticos para cumplir con los requisitos.

Además, en comparación con los condensadores electrolíticos, los condensadores de película DC-Link pueden diseñarse para lograr una ESR muy baja (normalmente inferior a 10 mΩ, e incluso inferior a <1 mΩ) y una autoinductancia LS (normalmente inferior a 100 nH, y en algunos casos inferior a 10 o 20 nH). Esto permite instalar el condensador de película DC-Link directamente en el módulo IGBT, lo que permite integrar la barra colectora en el condensador de película DC-Link, eliminando así la necesidad de un condensador absorbente IGBT específico al utilizar condensadores de película, lo que supone un importante ahorro para el diseñador. Las figuras 2 y 3 muestran las especificaciones técnicas de algunos productos C3A y C3B.

3. Conclusión

En el primer tiempo, los condensadores DC-Link eran en su mayoría condensadores electrolíticos debido a consideraciones de costo y tamaño.

Sin embargo, los condensadores electrolíticos se ven afectados por la capacidad de resistencia al voltaje y la corriente (ESR mucho mayor en comparación con los condensadores de película), por lo que es necesario conectar varios condensadores electrolíticos en serie y en paralelo para obtener una gran capacidad y cumplir con los requisitos de uso de alto voltaje. Además, considerando la volatilización del material electrolítico, este debe reemplazarse regularmente. Las nuevas aplicaciones de energía generalmente requieren una vida útil del producto de 15 años, por lo que debe reemplazarse de 2 a 3 veces durante este período. Por lo tanto, existe un costo considerable y inconvenientes 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 voltaje de 450 V a 1200 V o incluso más alto con película OPP ultradelgada (el más delgado 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 optimizarlo.