Questa settimana continuiamo con l'articolo della scorsa settimana.

1.2 Condensatori elettrolitici

Il dielettrico utilizzato nei condensatori elettrolitici è l'ossido di alluminio formato dalla corrosione dell'alluminio, con una costante dielettrica compresa tra 8 e 8,5 e una rigidità dielettrica di lavoro di circa 0,07 V/A (1 µm=10000 A).Tuttavia non è possibile ottenere un tale spessore.Lo spessore dello strato di alluminio riduce il fattore di capacità (capacità specifica) dei condensatori elettrolitici perché il foglio di alluminio deve essere inciso per formare una pellicola di ossido di alluminio per ottenere buone caratteristiche di accumulo di energia e la superficie formerà molte superfici irregolari.D'altra parte, la resistività dell'elettrolita è di 150Ωcm per la bassa tensione e 5kΩcm per l'alta tensione (500V).La maggiore resistività dell'elettrolita limita la corrente RMS che il condensatore elettrolitico può sopportare, tipicamente a 20 mA/μF.

Per questi motivi i condensatori elettrolitici sono progettati per una tensione massima di 450 V tipica (alcuni singoli produttori li progettano per 600 V).Pertanto per ottenere tensioni più elevate è necessario realizzarle collegando in serie dei condensatori.Tuttavia, a causa della differenza nella resistenza di isolamento di ciascun condensatore elettrolitico, è necessario collegare un resistore a ciascun condensatore per bilanciare la tensione di ciascun condensatore collegato in serie.Inoltre, i condensatori elettrolitici sono dispositivi polarizzati e quando la tensione inversa applicata supera 1,5 volte Un, si verifica una reazione elettrochimica.Quando la tensione inversa applicata è sufficientemente lunga, il condensatore fuoriuscirà.Per evitare questo fenomeno, è opportuno collegare un diodo accanto a ciascun condensatore quando viene utilizzato.Inoltre, la resistenza ai picchi di tensione dei condensatori elettrolitici è generalmente 1,15 volte Un, e quelli buoni possono raggiungere 1,2 volte Un.Pertanto, quando li utilizzano, i progettisti dovrebbero considerare non solo la tensione di funzionamento a regime, ma anche la sovratensione.In sintesi, si può tracciare la seguente tabella comparativa tra condensatori a film e condensatori elettrolitici, vedere Fig.1.

2. Analisi dell'applicazione

I condensatori DC-Link come filtri richiedono progetti ad alta corrente e ad alta capacità.Un esempio è il sistema di azionamento del motore principale di un veicolo a nuova energia, come menzionato in Fig.3.In questa applicazione il condensatore svolge un ruolo di disaccoppiamento e il circuito presenta un'elevata corrente operativa.Il condensatore DC-Link a film ha il vantaggio di poter sopportare grandi correnti operative (Irms).Prendiamo come esempio i parametri del veicolo a nuova energia da 50~60 kW, i parametri sono i seguenti: tensione operativa 330 V CC, tensione di ripple 10 Vrms, corrente di ripple 150 Arms a 10 KHz.

Quindi la capacità elettrica minima viene calcolata come:

Questo è facile da implementare per la progettazione di condensatori a film.Supponendo che vengano utilizzati condensatori elettrolitici, se si considera 20 mA/μF, la capacità minima dei condensatori elettrolitici viene calcolata per soddisfare i parametri di cui sopra come segue:

Ciò richiede più condensatori elettrolitici collegati in parallelo per ottenere questa capacità.

Nelle applicazioni di sovratensione, come ferrovie leggere, autobus elettrici, metropolitane, ecc. Considerando che queste potenze sono collegate al pantografo della locomotiva tramite il pantografo, il contatto tra pantografo e pantografo è intermittente durante il viaggio di trasporto.Quando i due non sono in contatto, l'alimentazione è supportata dal condensatore d'inchiostro DC-L e quando il contatto viene ripristinato viene generata la sovratensione.Il caso peggiore è una scarica completa da parte del condensatore DC-Link quando scollegato, dove la tensione di scarica è uguale alla tensione del pantografo e quando il contatto viene ripristinato, la sovratensione risultante è quasi due volte la Un operativa nominale.Per i condensatori a film, il condensatore DC-Link può essere gestito senza ulteriori considerazioni.Se si utilizzano condensatori elettrolitici la sovratensione è di 1,2Un.Prendiamo come esempio la metropolitana di Shanghai.Un=1500Vdc, per il condensatore elettrolitico da considerare la tensione è:

Quindi i sei condensatori da 450 V devono essere collegati in serie.Se il design del condensatore a film viene utilizzato da 600 V CC a 2000 V CC o anche 3000 V CC è facilmente raggiungibile.Inoltre, l'energia in caso di scarica completa del condensatore forma una scarica di cortocircuito tra i due elettrodi, generando una grande corrente di spunto attraverso il condensatore DC-Link, che di solito è diversa per i condensatori elettrolitici per soddisfare i requisiti.

Inoltre, rispetto ai condensatori elettrolitici, i condensatori a film DC-Link possono essere progettati per ottenere un ESR molto basso (tipicamente inferiore a 10 mΩ e anche inferiore a <1 mΩ) e un'autoinduttanza LS (tipicamente inferiore a 100 nH e in alcuni casi inferiore a 10 o 20 nH). .Ciò consente di installare il condensatore a film DC-Link direttamente nel modulo IGBT quando applicato, consentendo di integrare la barra collettrice nel condensatore a film DC-Link, eliminando così la necessità di un condensatore assorbente IGBT dedicato quando si utilizzano condensatori a film, risparmiando al progettista una notevole somma di denaro.Fig.2.e 3 mostrano le specifiche tecniche di alcuni prodotti C3A e C3B.

3. Conclusione

Agli albori, i condensatori DC-Link erano per lo più condensatori elettrolitici per considerazioni relative ai costi e alle dimensioni.

Tuttavia, i condensatori elettrolitici sono influenzati dalla capacità di resistenza alla tensione e alla corrente (ESR molto più elevata rispetto ai condensatori a film), quindi è necessario collegare diversi condensatori elettrolitici in serie e in parallelo per ottenere una grande capacità e soddisfare i requisiti di utilizzo ad alta tensione.Inoltre, considerando la volatilizzazione del materiale elettrolitico, è necessario sostituirlo regolarmente.Le nuove applicazioni energetiche richiedono generalmente una vita del prodotto di 15 anni, pertanto è necessario sostituirlo 2 o 3 volte durante questo periodo.Pertanto si hanno notevoli costi e disagi nell'assistenza post-vendita dell'intera macchina.Con lo sviluppo della tecnologia del rivestimento di metallizzazione e della tecnologia dei condensatori a film, è stato possibile produrre condensatori di filtro CC ad alta capacità con tensione da 450 V a 1200 V o anche superiore con film OPP ultrasottile (il più sottile 2,7 µm, anche 2,4 µm) utilizzando tecnologia di vaporizzazione della pellicola di sicurezza.D'altro canto, l'integrazione dei condensatori DC-Link con la barra collettrice rende il design del modulo inverter più compatto e riduce notevolmente l'induttanza parassita del circuito per ottimizzare il circuito.