Nu lăsați condensatorul de legătură c.c. să fie veriga slabă din proiectul convertorului dvs. de putere

Condensatoarele cu legătură de curent continuu (c.c.) sunt o componentă esențială în numeroase aplicații, inclusiv în invertoarele trifazate pentru acționarea motoarelor vehiculelor electrice (EV), invertoarele de energie fotovoltaică și eoliană, acționările motoarelor industriale, încărcătoarele auto integrate și sursele de alimentare pentru echipamente medicale sau industriale. Este important să țineți pasul cu cele mai recente dezvoltări. Dacă nu sunt implementate corect, condensatoarele de legătură c.c. pot fi o „verigă slabă” ce reduce densitatea energiei și fiabilitatea.

Din nefericire pentru proiectanți, spre deosebire de tehnologia semiconductorilor care avansează în ritm rapid, progresele în tehnologia condensatoarelor sunt lente și pot fi omise. La această provocare se adaugă și faptul că diferitele tehnologii de condensatoare avansează în ritmuri diferite: condensatoarele electrolitice cu aluminiu sunt o tehnologie mai matură și evoluează mai lent, în timp ce condensatoarele cu peliculă și condensatoarele ceramice multi-strat (MLCC) avansează mai rapid. În general, condensatoarele electrolitice cu aluminiu oferă o capacitanță mai mare pe unitate de volum și densități de putere mai mari în comparație cu condensatoarele cu peliculă și MLCC-urile; dar compromisurile nu sunt fixe.

De exemplu, momentul în care se face upgrade pentru comutatoarele de putere cu dispozitive de frecvență mai mare – cum ar fi înlocuirea IGBT-urilor cu MOSFET-uri sau înlocuirea dispozitivelor de siliciu cu comutatoare de putere cu bandă largă (WBG) – poate fi un moment bun pentru a reexamina alegerile anterioare legate de condensatoarele de legătură c.c. Fiecare tehnologie de condensatoare cu legătură c.c. oferă un set unic de funcții (Figura 1).

Figura 1: comparație a condensatoarelor de legătură c.c. care arată tensiunea în funcție de capacitanță pentru principalele tehnologii. Condensatoarele CeraLink de la TDK sunt MLCC-uri optimizate pentru aplicații cu legătură c.c. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

Condensatoarele electroliticele din aluminiu sunt cele mai comune condensatoare de legătură c.c. Acestea oferă o combinație de densitate înaltă de putere și costuri reduse. Sunt adesea utilizate pentru acționările motoarelor industriale, sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) și o varietate de aplicații de consum, comerciale și industriale. Cu toate acestea, durata lor de viață relativ scurtă și funcționarea la frecvențe reduse pot face ca acestea să nu fie luate în calcul pentru aplicații mai solicitante.

Condensatoarele cu peliculă se găsesc adesea ca element de legătură c.c. în aplicații mai solicitante, cum ar fi acționările de tracțiune pentru vehiculele electrice. Condensatoarele cu peliculă au o fiabilitate mai mare, o capacitate mare de conducție a curentului, o rezistență echivalentă în serie (ESR) mai mică și pot fi utilizate la frecvențe mai mari comparativ cu condensatoarele electrolitice. Dar, la fel ca și condensatoarele electrolitice, condensatoarele cu peliculă au temperaturi de funcționare relativ scăzute, de aproximativ 105 grade Celsius (°C).

MLCC-urile prezintă o a treia posibilitate. Aceste condensatoare au o valoare nominală mai mare a curentului mediu pătratic (rms) și pot rezista la temperaturi mai ridicate decât alte condensatoare. Dezavantajul este că poate fi nevoie de un număr relativ mare de MLCC-uri pentru o anumită densitate de putere, ceea ce face dificilă punerea în aplicare a unei dispuneri a condensatoarelor care să asigure o distribuție egală a curentului. În plus, pot exista probleme de fiabilitate asociate cu MLCC-urile; materialul dielectric ceramic este rigid și se poate fisura din cauza solicitărilor mecanice sau termice, creând un scurtcircuit între terminale.

Este evident că nu există o tehnologie de condensator „perfectă” pentru toate aplicațiile de legătură c.c. Pentru a găsi cea mai bună soluție de proiectare pentru un anumit proiect, trebuie să analizați cele mai recente progrese tehnologice și dezvoltări de produse. Așadar, să luăm în considerare unele dintre compromisurile și funcțiile anumitor tipuri de dispozitive reprezentative, inclusiv condensatoarele electrolitice din aluminiu de la Cornell Dubilier Electronics, cele cu peliculă de la KEMET și MLCC-urile de la TDK Corporation.

Condensatoare electrolitice pentru proiecte cu curenți de ondulație mari

Pentru aplicațiile cu curenți de ondulație mari, puteți utiliza seria 381LR de la Cornell Dubilier Electronics, care are o tensiune nominală de la 200 până la 450 V c.c. și capacitate electrică nominală de la 56 până la 2.200 microfarazi (µF) și pot suporta cu cel puțin 25% mai mult curent de ondulație în comparație cu condensatoarele electrolitice standard cu fixare directă, la 105 °C (Figura 2). Progresele recente în formularea electroliților sunt esențiale pentru ESR-ul scăzut care conferă acestor condensatoare capacitatea lor privind curentul de ondulație. Acest lucru înseamnă că sunt necesare mai puține condensatoare în acționările motoarelor, în sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) și în alte aplicații cu curent de ondulație ridicat.

Figura 2: condensatoarele electrolitice din aluminiu 381LR au o tensiune nominală de la 200 la 450 volți c.c. și capacitate electrică nominală de la 56 la 2.200 µF. (Sursă imagine: Jeff Shepard, pe baza materialului sursă de la Cornell Dubilier Electronics)

Condensatoare cu peliculă pentru acționări de tracțiune pentru automobile

Dacă proiectați sisteme pentru medii solicitante, cum ar fi acționările de tracțiune pentru automobile, condensatoarele cu peliculă de legătură c.c. C4AK de la KEMET, cu o durată de viață de 4.000 de ore la 125 °C și de 1.000 de ore la 135 °C, reprezintă o opțiune bună (Figura 3). Concepute pentru proiecte de sisteme compacte, aceste dispozitive au un format de cutie radială pentru montarea cu profil redus pe placa de circuite imprimate și permit utilizarea unui număr mai mic de condensatoare în paralel pentru a gestiona curenții de vârf și de ondulație.

Figura 3: seria de condensatoare cu peliculă C4AK cu legătură c.c. de la KEMET are o durată de viață de 4.000 de ore la 125 °C și de 1.000 de ore la 135 °C. (Sursa imaginii: KEMET)

Condensatoarele C4AK de legătură c.c. sunt concepute pentru a fi utilizate în convertoarele de putere la înaltă frecvență și curenți mari ale sistemelor EV, invertoarele fotovoltaice și de celule de combustibil, sistemele de stocare a energiei, transferul de energie wireless și alte aplicații industriale.

MLCC-uri pentru semiconductori WBG rapizi

Atunci când se utilizează WBG-uri, familia CeraLink FA (asamblare flexibilă) de la TDK Corporation poate fi o soluție adecvată. Familia include valori de capacitanță de la 0,25 µF până la 10 µF și tensiuni nominale între 500 și 900 volți c.c. De exemplu, B58035U9255M001 are valori nominale de 2,5 µF și 900 de volți (Figura 4). Diferitele dispozitive din familia CeraLink sunt optimizate pentru a fi utilizate ca niște condensatoare de legătură c.c., cu caracteristici care includ:

• Densități de capacitanță de la 2 până la 5 µF pe centimetru cubic (cm³)
• Autoinductanță scăzută de la 2,5 până la 4 nanohenry (nH)
• Posibilitatea de amplasare foarte aproape de dispozitivul de alimentare cu semiconductor, fiind permisă funcționarea la temperaturi de până la 150 °C (pentru o perioadă limitată de timp).
• Nicio limitare a vitezei de salt a tensiunii (dV/dt)

Figura 4: B58035U9255M001 face parte din familia CeraLink FA de la TDK Corporation, o stivă MLCC de 2,5 µF, 900 volți. (Sursa imaginii: TDK Corporation)

Condensatoarele din familia FA au o lățime de 9,1 milimetri (mm) și o înălțime de 7,4 mm și sunt disponibile cu lungimi de 6,3 mm, 9,3 mm și 30,3 mm. Acestea au o capacitate de curent de ondulație de până la 47 de amperi (A) rms.

Concluzie

Specificarea unui condensator de legătură c.c. este o parte importantă în proiectarea convertoarelor de putere. După cum s-a arătat, există o gamă largă de opțiuni posibile, care pot suferi modificări. O selecție greșită poate rezulta într-un convertor de putere care nu satisface așteptările sau unul care este prea scump. Pentru a evita luarea unei decizii greșite, trebuie să fiți la curent cu cele mai recente dezvoltări în domeniul tehnologiilor și produselor cu condensatoare cu legătură c.c.