La vasta gamma di tipi di condensatori non è cambiata molto negli ultimi anni, ma sicuramente le applicazioni lo hanno fatto. In questo articolo esaminiamo come vengono utilizzati i condensatori nell'elettronica di potenza e confrontiamo le tecnologie disponibili. Condensatori a film stanno mostrando i loro vantaggi nelle prossime applicazioni come veicoli elettrici , conversione di energia elettrica alternativa, e inverter negli azionamenti . Tuttavia, gli elettrolitici in alluminio (Al) sono ancora importanti quando la densità di accumulo dell’energia è il requisito principale.
Condensatore elettrolitico o a film Al?
È facile da respingere Elettrolitici Al come la tecnologia di ieri, ma la differenziazione prestazionale tra queste e l’alternativa cinematografica non è sempre così netta. In termini di densità di energia immagazzinata, cioè joule/centimetri cubi, sono ancora avanti rispetto ai condensatori a film standard, sebbene varianti esotiche come i condensatori altamente cristallini segmentati polipropilene metallizzato sono comparabili. Inoltre, gli elettrolitici in alluminio mantengono la loro corrente di ripple nominale a temperature più elevate meglio dei condensatori a film concorrenti. Anche i problemi di durata e affidabilità percepiti non sono così significativi quando gli elettrolitici in alluminio vengono opportunamente declassati. Gli elettrolitici in alluminio sono ancora molto interessanti laddove è richiesta la continuità della tensione del bus CC in caso di interruzione di corrente senza batteria di backup. Ad esempio, quando il costo è un fattore trainante, è particolarmente difficile prevedere che i condensatori a film prendano il posto dei condensatori sfusi negli alimentatori off-line di largo consumo.
Il cinema vince in molti modi
I condensatori a film presentano diversi vantaggi significativi rispetto ad altri condensatori: i valori di resistenza in serie equivalente (ESR) possono essere notevolmente inferiori, portando a una gestione della corrente di ripple molto migliore. Anche i valori di sovratensione sono superiori e, cosa forse più significativa, i condensatori a film possono autoripararsi
FIGURA 1 Le caratteristiche del film del condensatore.
FIGURA 2 La variazione del DF con la temperatura per film di polipropilene.
Dopo lo stress, il che porta ad una migliore affidabilità e durata del sistema. Tuttavia, la capacità di autoguarigione dipende dal livello di stress, dai valori di picco e dalla frequenza di ripetizione. Inoltre, eventuali guasti catastrofici sono ancora possibili a causa della deposizione di carbonio e dei danni collaterali derivanti dall'arco plasma generato durante la rimozione del guasto. Queste caratteristiche corrispondono alle moderne applicazioni di conversione di potenza nei veicoli elettrici e nei sistemi di energia alternativa dove non è richiesto alcun ritardo in caso di interruzioni o tra picchi di ondulazione della frequenza di linea. Il requisito principale è la capacità di generare e assorbire correnti di ripple ad alta frequenza che potrebbero raggiungere centinaia se non migliaia di ampere mantenendo perdite tollerabili ed elevata affidabilità. C'è anche un movimento verso tensioni di bus più elevate per ridurre le perdite ohmiche a determinati livelli di potenza. Ciò significherebbe un collegamento in serie di elettrolitici Al con la loro tensione nominale massima intrinseca di circa 550 V. Per evitare uno squilibrio di tensione, potrebbe essere necessario scegliere condensatori costosi con valori corrispondenti e utilizzare resistori di bilanciamento della tensione con le perdite e i costi associati.
Il problema dell'affidabilità non è semplice, anche se, in condizioni controllate, gli elettrolitici sono paragonabili alle pellicole di potenza, il che significa che in genere sopportano solo il 20% della sovratensione prima che si verifichi un danno. Al contrario, i condensatori a film possono sopportare forse il 100% della sovratensione per periodi limitati. In caso di guasto, gli elettrolitici possono cortocircuitare ed esplodere, distruggendo un intero banco di componenti in serie/parallelo con una pericolosa scarica di elettrolita. I condensatori a film possono anche autoripararsi, ma l'affidabilità del sistema in condizioni autentiche di stress occasionale può essere molto diversa tra i due tipi. Come per tutti i componenti, livelli elevati di umidità possono degradare le prestazioni dei condensatori a film e, per una migliore affidabilità, questi valori dovrebbero essere ben controllati. Un altro elemento pratico di differenziazione è la facilità di montaggio dei condensatori a film: sono disponibili in custodie rettangolari isolate, volumetricamente efficienti, con una varietà di opzioni di collegamento elettrico, dai terminali a vite ai capicorda, faston e sbarre collettrici, rispetto alle tipiche scatole metalliche rotonde dei condensatori a film. elettrolitici. La pellicola dielettrica non polare offre un montaggio a prova di inversione e consente l'uso in applicazioni in cui viene applicata corrente alternata, come nel filtraggio dell'uscita dell'inverter.
Naturalmente, sono disponibili molti tipi di dielettrici di condensatori a film e la Figura 1 fornisce un riepilogo delle loro prestazioni comparative [1]. La pellicola di polipropilene è il vincitore assoluto quando le perdite e l'affidabilità sotto stress sono le considerazioni principali a causa del suo basso DF e dell'elevata rottura dielettrica per unità di spessore. Gli altri film possono essere migliori in termini di classificazione della temperatura e capacità/volume, con costanti dielettriche più elevate e disponibilità di film più sottili e, a basse tensioni, il poliestere è ancora di uso comune. Il DF è particolarmente importante e definito come ESR/reattanza capacitiva e solitamente è specificato a 1 kHz e 25 °C. Un DF basso rispetto ad altri dielettrici implica un riscaldamento inferiore ed è un modo per confrontare le perdite per microfarad. Il DF varia leggermente con la frequenza e la temperatura, ma il polipropilene offre le migliori prestazioni. Le figure 2 e 3 mostrano i grafici tipici.
Esistono due tipi principali di costruzioni di condensatori a film che utilizzano lamina e metallizzazione depositata, come mostrato nella Figura 4. La lamina metallica con uno spessore di circa 5 nm viene generalmente utilizzata tra gli strati dielettrici per la sua elevata capacità di corrente di picco, ma non si autoalimenta. -guarire dopo aver sopportato lo stress. La pellicola metallizzata si forma sotto vuoto e generalmente depositando Al a 1.200 °C sulla pellicola fino a uno spessore di circa 20–50 nm con una temperatura della pellicola compresa tra −25 e −35 °C,
FIGURA 3 La variazione del DF con la frequenza per il film di polipropilene.
FIGURA 4 La costruzione del condensatore a film
sebbene possano essere utilizzate anche leghe di zinco (Zn) e Al-Zn. Questo processo consente l'autoriparazione, in cui i guasti in qualsiasi punto del dielettrico causano un intenso riscaldamento localizzato, forse fino a 6.000 ° C, provocando la formazione di un plasma. La metallizzazione attorno al canale di rottura viene vaporizzata, con la rapida espansione del plasma che estingue la scarica, isolando il difetto e lasciando il condensatore perfettamente funzionante. La riduzione della capacità è minima ma si somma nel tempo, rendendola un utile indicatore dell'invecchiamento del componente.
Un metodo comune per un ulteriore miglioramento dell'affidabilità consiste nel segmentare la metallizzazione sulla pellicola in aree, forse milioni, con porte strette che alimentano la corrente nei segmenti e agiscono come fusibili per sovraccarichi evidenti. Il restringimento del percorso totale della corrente verso la metallizzazione riduce la gestione della corrente di picco del componente, ma il margine di sicurezza aggiuntivo introdotto consente al condensatore di essere utilmente valutato a tensioni più elevate.
Il moderno polipropilene ha una rigidità dielettrica di circa 650 V/μm ed è disponibile in spessori di circa 1,9 µm e oltre, quindi sono normalmente raggiungibili tensioni nominali dei condensatori fino a diversi kilovolt, con alcune parti classificate anche a 100 kV. Tuttavia, a tensioni più elevate, il fenomeno della scarica parziale (PD), noto anche come scarica corona, diventa un fattore determinante. Il PD è la rottura ad alta tensione dei microvuoti nella maggior parte del materiale o negli spazi d'aria tra gli strati di materiale, causando un cortocircuito parziale del percorso isolante totale. PD (scarica corona) lascia una leggera traccia di carbonio; l'effetto iniziale è impercettibile ma può accumularsi nel tempo fino a quando non si verifica una rottura grossolana e improvvisa dell'isolamento indebolito e tracciato dal carbonio. L'effetto è descritto dalla curva di Paschen, mostrata in Figura 5, ed ha una caratteristica tensione di inizio ed estinzione. La figura mostra due esempi di intensità di campo. È probabile che i punti al di sopra della curva di Paschen, A, producano una ripartizione della PD.
FIGURA 5 La curva di Paschen ed esempi di intensità del campo elettrico.
Per contrastare l'effetto, i condensatori ad altissima tensione sono impregnati di olio per escludere l'aria dalle interfacce degli strati. I tipi a tensione inferiore tendono ad essere riempiti di resina, il che aiuta anche con la robustezza meccanica. Un'altra soluzione consiste nel formare condensatori in serie in singoli alloggiamenti, riducendo efficacemente la caduta di tensione su ciascuno ben al di sotto della tensione di inizio. Il PD è un effetto dovuto all'intensità del campo elettrico, quindi è sempre possibile aumentare lo spessore del dielettrico per diminuire il gradiente di tensione, ma aumenta la dimensione complessiva del condensatore. Esistono progetti di condensatori che combinano lamine e metallizzazione per fornire un compromesso tra capacità di corrente di picco e autoriparazione. La metallizzazione può anche essere graduata dal bordo del condensatore in modo che il materiale più spesso ai bordi offra una migliore gestione della corrente e una terminazione più robusta mediante saldatura o saldatura, e la classificazione può essere continua o a gradini.
Forse è utile fare un passo indietro e osservare come l’utilizzo di condensatori elettrolitici in alluminio sia vantaggioso. Un esempio è un convertitore off-line da 1 kW con efficienza del 90% e front-end con correzione del fattore di potenza, che necessita di un tempo di percorrenza di 20 ms, come mostrato nella Figura 6. Solitamente avrà un bus CC interno con tensione nominale, Vn, di 400 V ed una tensione di caduta, Vd, di 300 V, al di sotto della quale viene persa la regolazione dell'uscita.
Il condensatore bulk C1 fornisce energia per mantenere una potenza di uscita costante durante il tempo di funzionamento specificato quando la tensione del bus scende da 400 a 300 V dopo un'interruzione. Matematicamente, Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) o C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF a 450 V nominali.
Se Condensatori elettrolitici Al vengono utilizzati, l'equazione dà come risultato un volume richiesto di circa 52 cm3 (ovvero 3 su 3 ), ad es. TDK-EPCOS Viene utilizzata la serie B43508. Al contrario, i condensatori a film sarebbero impraticabilmente grandi, richiedendone forse 15 in parallelo per un volume totale di 1.500 cm3 (ovvero 91 in 3) se si utilizza la serie TDK-EPCOS B32678. La differenza è ovvia, ma la scelta cambierebbe se il condensatore dovesse controllare la tensione di ripple su una linea CC. Prendiamo un esempio simile in cui la tensione del bus da 400 V proviene da una batteria, quindi non è necessaria l'attesa. Tuttavia, è necessario ridurre l'effetto a catena, ad esempio, a 4 V quadratico medio (rms) da impulsi di corrente ad alta frequenza di 80 A rms prelevati da un convertitore a valle a 20 kHz. Potrebbe trattarsi di un'applicazione per veicoli elettrici e la capacità richiesta può essere approssimata da C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF a 450 V nominali.
FIGURA 6 Il condensatore per un passaggio (hold up). HVDC: corrente continua ad alta tensione.
Un elettrolitico a 180 µF, 450 V potrebbe avere una corrente di ripple nominale di soli circa 3,5 A rms a 60 °C, inclusa la correzione di frequenza (serie EPCOS B43508). Pertanto, per 80 A, sarebbero necessari 23 condensatori in parallelo, producendo 4.140 µF non necessari con un volume totale di 1.200 cm3 (ovvero 73 in 3). Ciò è conforme al valore nominale di corrente di ondulazione di 20 mA/μF talvolta citato per gli elettrolitici. Se si considerano i condensatori a film, ora ne bastano quattro in parallelo EPCOS B32678 forniscono una corrente di ondulazione nominale di 132 A rms in un volume di 402 cm3 (ovvero 24,5 in 3). Se la temperatura è limitata, ad esempio, a meno di 70 °C ambiente, è comunque possibile scegliere una dimensione del case più piccola. Anche se scegliamo gli elettrolitici per altri motivi, l’eccesso di capacità potrebbe causare altri problemi, come il controllo dell’energia nella corrente di spunto. Naturalmente, se potessero verificarsi sovratensioni transitorie, i condensatori a film sarebbero molto più robusti nell'applicazione. Un esempio di ciò potrebbe essere la trazione leggera, dove una connessione intermittente a una catenaria provoca una sovratensione sulla connessione del collegamento CC.
Questo esempio è tipico di molti ambienti odierni, come i sistemi di continuità, l'energia eolica e solare, la saldatura e gli inverter collegati alla rete. Le differenze di costo tra gli elettrolitici a film e quelli in Al possono essere riassunte nei dati pubblicati nel 2013 [2]. I costi tipici per un bus CC da 440 Vca rettificato sono riportati nella Tabella 1.
Altre applicazioni riguardano il disaccoppiamento e circuiti smorzatori in convertitori o invertitori. In questo caso, se le dimensioni lo consentono, si dovrebbe utilizzare la struttura in film/lamina, poiché i tipi metallizzati richiedono fasi di progettazione e produzione speciali. Come disaccoppiamento, il condensatore viene posizionato attraverso il bus CC per fornire un percorso a bassa induttanza per la circolazione di correnti ad alta frequenza, tipicamente 1 µF per 100 A commutati. Senza il condensatore, la corrente circola attraverso circuiti a induttanza più elevata, provocando tensioni transitorie (Vtr) come segue: Vtr =-Ldi/dt.
Essendo possibili variazioni di corrente di 1.000 A/μs, solo pochi nanohenry di induttanza possono produrre tensioni significative. Le tracce del circuito stampato possono avere un'induttanza di circa 1 nH/mm, fornendo quindi in questa situazione circa 1 Vtr/mm. Pertanto è importante che i collegamenti siano quanto più brevi possibile. Per controllare il dV/dt tra gli interruttori, il condensatore e una rete di resistori/diodi sono posti in parallelo con un IGBT o MOSFET (Figura 7).
Questo rallenta lo squillo, controlla le interferenze elettromagnetiche (EMI) e impedisce commutazioni spurie dovute a livelli elevati
FIGURA 7 L'interruttore che snobba. FIGURA 8 I condensatori a film come soppressione EMI. FIGURA 9 I condensatori a film nel filtraggio EMC dei motori.
dV/dt, in particolare negli IGBT. Un punto di partenza è spesso quello di rendere la capacità dello smorzatore circa il doppio della somma della capacità di uscita dell'interruttore e della capacità di montaggio, quindi il resistore viene scelto per smorzare in modo critico qualsiasi ronzio. Sono stati formulati approcci progettuali più ottimali.
I condensatori in polipropilene di sicurezza vengono spesso utilizzati sulle linee elettriche per ridurre le interferenze elettromagnetiche in modalità differenziale (Figura 8). La loro capacità di resistere a sovratensioni transitorie e di autoripararsi è fondamentale. I condensatori in queste posizioni sono classificati come X1 o X2, e possono sopportare rispettivamente transitori da 4 e 2,5 kV. I valori utilizzati sono spesso nell'ordine dei microfarad per ottenere la conformità con gli standard tipici di compatibilità elettromagnetica (EMC) a livelli di potenza elevati. I condensatori a film di tipo Y possono essere utilizzati anche in posizioni linea-terra per attenuare il rumore di modo comune dove il valore di capacità è limitato a causa di considerazioni sulla corrente di dispersione (Figura 8). Le versioni Y1 e Y2 sono disponibili rispettivamente per valori transitori di 8 e 5 kV. Basse induttanze di connessione dei condensatori a film aiutano anche a mantenere alte le risonanze del sé.
Un'applicazione crescente per i condensatori non polarizzati è quella di formare filtri passa-basso con induttori in serie per attenuare le armoniche ad alta frequenza nell'uscita CA di azionamenti e inverter (Figura 9). I condensatori in polipropilene vengono spesso utilizzati per la loro affidabilità, l'elevata corrente di ripple e la buona efficienza volumetrica nell'applicazione, e gli induttori e i condensatori sono spesso assemblati insieme in un unico modulo. I carichi come i motori sono spesso distanti dall'unità di azionamento e vengono utilizzati filtri per consentire ai sistemi di soddisfare i requisiti EMC e ridurre lo stress sui cavi e sui motori dovuto a livelli dV/dt eccessivi.
