Esta semana analizaremos el uso de condensadores de película en lugar de condensadores electrolíticos en los condensadores de enlace de CC. Este artículo se dividirá en dos partes.
Con el desarrollo de la industria de la energía renovable, la tecnología de corriente variable se utiliza comúnmente, y los condensadores de enlace de CC son particularmente importantes como uno de los dispositivos clave para la selección. Los condensadores de enlace de CC en los filtros de CC generalmente requieren gran capacidad, procesamiento de alta corriente y alto voltaje, etc. Al comparar las características de los condensadores de película y los condensadores electrolíticos y analizar las aplicaciones relacionadas, este artículo concluye que en diseños de circuitos que requieren alto voltaje de operación, alta corriente de rizado (Irms), requisitos de sobretensión, inversión de voltaje, alta corriente de irrupción (dV/dt) y larga vida útil. Con el desarrollo de la tecnología de deposición de vapor metalizado y la tecnología de condensadores de película, los condensadores de película se convertirán en una tendencia para que los diseñadores reemplacen a los condensadores electrolíticos en términos de rendimiento y precio en el futuro.
Con la introducción de nuevas políticas energéticas y el desarrollo de la industria de energías renovables en diversos países, se han generado nuevas oportunidades en los sectores relacionados. Los condensadores, como producto esencial en la cadena de suministro, también han experimentado un crecimiento significativo. En los vehículos y sistemas de energías renovables, los condensadores son componentes clave en el control de energía, la gestión de potencia, los inversores y los sistemas de conversión CC-CA, ya que determinan la vida útil del convertidor. En el inversor, la alimentación de CC se utiliza como fuente de entrada y se conecta a través de un bus de CC, denominado enlace de CC o soporte de CC. Dado que el inversor recibe corrientes de pulso RMS y pico elevadas del enlace de CC, genera una alta tensión de pulso en dicho enlace, lo que dificulta su funcionamiento. Por lo tanto, se requiere un condensador en el enlace de CC para absorber la alta corriente de pulso y mantener la fluctuación de la tensión de pulso del inversor dentro de un rango aceptable. Además, protege al inversor de sobretensiones transitorias y picos de tensión en el enlace de CC.
En las figuras 1 y 2 se muestra el diagrama esquemático del uso de condensadores de enlace de CC en sistemas de propulsión de motores para vehículos de energías renovables (incluida la generación de energía eólica y la generación de energía fotovoltaica).
La Figura 1 muestra la topología del circuito convertidor de energía eólica, donde C1 es el enlace de CC (generalmente integrado al módulo), C2 es la absorción del IGBT, C3 es el filtrado LC (lado de la red) y C4 el filtrado DV/DT del lado del rotor. La Figura 2 muestra la tecnología del circuito convertidor de energía fotovoltaica, donde C1 es el filtrado de CC, C2 es el filtrado EMI, C4 es el enlace de CC, C6 es el filtrado LC (lado de la red), C3 es el filtrado de CC y C5 es la absorción del IPM/IGBT. La Figura 3 muestra el sistema de accionamiento del motor principal en el sistema de vehículo de nueva energía, donde C3 es el enlace de CC y C4 es el condensador de absorción del IGBT.
En las aplicaciones de energías renovables mencionadas anteriormente, los condensadores de enlace de CC, como componente clave, requieren alta fiabilidad y larga vida útil en sistemas de generación de energía eólica, fotovoltaica y para vehículos eléctricos, por lo que su selección es de suma importancia. A continuación, se presenta una comparación de las características de los condensadores de película y los electrolíticos, así como su análisis en aplicaciones de condensadores de enlace de CC.
1. Comparación de características
1.1 Condensadores de película
En primer lugar, se presenta el principio de la tecnología de metalización por película: una capa suficientemente delgada de metal se vaporiza sobre la superficie del soporte de película delgada. En presencia de un defecto en el soporte, la capa es capaz de evaporarse y, por lo tanto, aislar el punto defectuoso para su protección, un fenómeno conocido como autorreparación.
La Figura 4 muestra el principio del recubrimiento de metalización, donde el medio de película delgada se pretrata (corona u otro) antes de la vaporización para que las moléculas de metal puedan adherirse a él. El metal se evapora disolviéndolo a alta temperatura bajo vacío (1400℃ a 1600℃ para aluminio y 400℃ a 600℃ para zinc), y el vapor de metal se condensa en la superficie de la película cuando entra en contacto con la película enfriada (temperatura de enfriamiento de la película de -25℃ a -35℃), formando así un recubrimiento metálico. El desarrollo de la tecnología de metalización ha mejorado la rigidez dieléctrica del dieléctrico de la película por unidad de espesor, y el diseño de condensadores para aplicaciones de pulso o descarga de tecnología seca puede alcanzar 500 V/µm, y el diseño de condensadores para aplicaciones de filtro de CC puede alcanzar 250 V/µm. El condensador de enlace de CC pertenece a este último, y según la norma IEC61071 para aplicaciones de electrónica de potencia, el condensador puede soportar choques de voltaje más severos y puede alcanzar 2 veces el voltaje nominal.
Por lo tanto, el usuario solo necesita considerar la tensión de funcionamiento nominal requerida para su diseño. Los condensadores de película metalizada tienen una baja ESR, lo que les permite soportar corrientes de rizado mayores; la menor ESL cumple con los requisitos de diseño de baja inductancia de los inversores y reduce el efecto de oscilación a frecuencias de conmutación.
La calidad del dieléctrico de película, la calidad del recubrimiento de metalización, el diseño del condensador y el proceso de fabricación determinan las características de autorreparación de los condensadores metalizados. El dieléctrico de película utilizado para los condensadores de enlace de CC fabricados es principalmente película de OPP.
El contenido del capítulo 1.2 se publicará en el artículo de la próxima semana.
Fecha de publicación: 22 de marzo de 2022