Questa settimana analizzeremo l'uso di condensatori a film al posto di condensatori elettrolitici nei condensatori DC-link. Questo articolo sarà diviso in due parti.

Con lo sviluppo del nuovo settore energetico, la tecnologia a corrente variabile è di conseguenza comunemente utilizzata e i condensatori DC-Link sono particolarmente importanti come uno dei dispositivi chiave per la selezione. I condensatori DC-Link nei filtri CC richiedono generalmente grande capacità, elaborazione ad alta corrente e alta tensione, ecc. Confrontando le caratteristiche dei condensatori a film e dei condensatori elettrolitici e analizzando le relative applicazioni, questo articolo conclude che nei progetti di circuiti che richiedono alta tensione di esercizio, elevata corrente di ripple (Irms), requisiti di sovratensione, inversione di tensione, elevata corrente di spunto (dV/dt) e lunga durata. Con lo sviluppo della tecnologia di deposizione da vapore metallizzato e della tecnologia dei condensatori a film, i condensatori a film diventeranno una tendenza per i progettisti, in quanto sostituiranno i condensatori elettrolitici in termini di prestazioni e prezzo in futuro.

Con l'introduzione di nuove politiche energetiche e lo sviluppo di una nuova industria energetica in diversi paesi, lo sviluppo di settori correlati in questo campo ha portato nuove opportunità. Anche i condensatori, in quanto prodotto essenziale a monte del settore, hanno acquisito nuove opportunità di sviluppo. Nelle nuove energie e nei veicoli a nuova energia, i condensatori sono componenti chiave nei sistemi di controllo energetico, gestione dell'alimentazione, inverter di potenza e conversione CC-CA, che determinano la durata del convertitore. Tuttavia, nell'inverter, la corrente continua viene utilizzata come fonte di alimentazione in ingresso, collegata all'inverter tramite un bus CC, chiamato DC-Link o supporto CC. Poiché l'inverter riceve elevate correnti RMS e di picco impulsive dal DC-Link, genera un'elevata tensione impulsiva sul DC-Link, rendendola difficile da sopportare. Pertanto, il condensatore del DC-Link è necessario per assorbire l'elevata corrente impulsiva dal DC-Link e impedire che le fluttuazioni della tensione impulsiva dell'inverter rientrino nell'intervallo accettabile; d'altra parte, impedisce anche che gli inverter siano influenzati dalle sovratensioni e dalle sovratensioni transitorie sul DC-Link.

Nelle Figure 1 e 2 è illustrato lo schema dell'uso dei condensatori DC-Link nei nuovi sistemi di energia (inclusa la generazione di energia eolica e fotovoltaica) e nei nuovi sistemi di azionamento dei motori dei veicoli energetici.

La Figura 1 mostra la topologia del circuito del convertitore di potenza eolica, dove C1 è il collegamento in corrente continua (generalmente integrato nel modulo), C2 è l'assorbimento dell'IGBT, C3 è il filtraggio LC (lato rete) e C4 è il filtraggio DV/DT lato rotore. La Figura 2 mostra la tecnologia del circuito del convertitore di potenza fotovoltaica, dove C1 è il filtraggio in corrente continua, C2 è il filtraggio EMI, C4 è il collegamento in corrente continua, C6 è il filtraggio LC (lato rete), C3 è il filtraggio in corrente continua e C5 è l'assorbimento IPM/IGBT. La Figura 3 mostra il sistema di azionamento del motore principale nel sistema del veicolo a nuova energia, dove C3 è il collegamento in corrente continua e C4 è il condensatore di assorbimento dell'IGBT.

Nelle applicazioni energetiche sopra menzionate, i condensatori DC-Link, in quanto dispositivi chiave, sono richiesti per elevata affidabilità e lunga durata nei sistemi di generazione di energia eolica, fotovoltaica e nei sistemi di veicoli a nuova energia, pertanto la loro selezione è particolarmente importante. Di seguito è riportato un confronto tra le caratteristiche dei condensatori a film e dei condensatori elettrolitici e la loro analisi nell'applicazione dei condensatori DC-Link.

1. Confronto delle funzionalità

1.1 Condensatori a film

Viene introdotto per la prima volta il principio della tecnologia di metallizzazione a film: uno strato di metallo sufficientemente sottile viene vaporizzato sulla superficie del supporto a film sottile. In presenza di un difetto nel supporto, lo strato è in grado di evaporare e quindi isolare il punto difettoso per proteggerlo, un fenomeno noto come auto-riparazione.

La Figura 4 mostra il principio del rivestimento di metallizzazione, in cui il film sottile viene pretrattato (effetto corona o altro) prima della vaporizzazione in modo che le molecole metalliche possano aderirvi. Il metallo viene evaporato sciogliendosi ad alta temperatura sotto vuoto (da 1400 a 1600 °C per l'alluminio e da 400 a 600 °C per lo zinco) e il vapore metallico si condensa sulla superficie del film quando incontra il film raffreddato (temperatura di raffreddamento del film da -25 a -35 °C), formando così un rivestimento metallico. Lo sviluppo della tecnologia di metallizzazione ha migliorato la rigidità dielettrica del dielettrico del film per unità di spessore, e il design del condensatore per applicazioni a impulsi o a scarica con tecnologia a secco può raggiungere i 500 V/µm, mentre il design del condensatore per applicazioni con filtro CC può raggiungere i 250 V/µm. Il condensatore DC-Link appartiene a quest'ultimo e, secondo la norma IEC61071 per le applicazioni nell'elettronica di potenza, può resistere a shock di tensione più gravi e può raggiungere 2 volte la tensione nominale.

Pertanto, l'utente deve considerare solo la tensione di esercizio nominale richiesta per il proprio progetto. I condensatori a film metallizzato hanno una bassa ESR, che consente loro di sopportare correnti di ripple più elevate; la bassa ESL soddisfa i requisiti di progettazione a bassa induttanza degli inverter e riduce l'effetto oscillatorio alle frequenze di commutazione.

La qualità del dielettrico a film, la qualità del rivestimento di metallizzazione, la progettazione del condensatore e il processo di fabbricazione determinano le caratteristiche di autoriparazione dei condensatori metallizzati. Il dielettrico a film utilizzato per i condensatori DC-Link prodotti è principalmente un film in OPP.

Il contenuto del capitolo 1.2 sarà pubblicato nell'articolo della prossima settimana.