Questa settimana analizzeremo l'utilizzo dei condensatori a film al posto dei condensatori elettrolitici nei condensatori del circuito intermedio in corrente continua. Questo articolo sarà suddiviso in due parti.
Con lo sviluppo del settore delle energie rinnovabili, la tecnologia a corrente variabile è sempre più diffusa e i condensatori DC-Link rivestono un ruolo particolarmente importante come componenti chiave. I condensatori DC-Link nei filtri CC richiedono generalmente elevata capacità, elevata capacità di elaborazione della corrente e alta tensione. 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, i condensatori a film diventeranno la scelta ideale per i progettisti che desiderano sostituire i condensatori elettrolitici in termini di prestazioni e prezzo.
Con l'introduzione di nuove politiche energetiche e lo sviluppo dell'industria delle energie rinnovabili in diversi paesi, si sono create nuove opportunità per le industrie correlate. Anche i condensatori, in quanto prodotto essenziale a monte della filiera, hanno beneficiato di nuove opportunità di sviluppo. Nelle energie rinnovabili e nei veicoli a energia rinnovabile, i condensatori sono componenti chiave nei sistemi di controllo energetico, gestione della potenza, inverter e conversione CC-CA, e determinano la durata del convertitore. Nell'inverter, la corrente continua (CC) viene utilizzata come fonte di alimentazione in ingresso, collegata all'inverter tramite un bus CC, chiamato DC-Link o DC Support. Poiché l'inverter riceve correnti RMS e di picco elevate dal DC-Link, si generano tensioni impulsive elevate sul DC-Link, che mettono a dura prova l'inverter. Pertanto, il condensatore DC-Link è necessario per assorbire l'elevata corrente impulsiva proveniente dal DC-Link e impedire che le fluttuazioni di tensione impulsiva dell'inverter rientrino in un intervallo accettabile; inoltre, protegge l'inverter da sovratensioni e picchi di tensione transitori sul DC-Link.
Le figure 1 e 2 mostrano lo schema di utilizzo dei condensatori DC-Link nei sistemi di azionamento dei motori per veicoli a energia alternativa (inclusi quelli eolici e fotovoltaici).
La Figura 1 mostra la topologia del circuito del convertitore di potenza eolica, dove C1 è il DC-Link (generalmente integrato nel modulo), C2 è l'assorbimento IGBT, C3 è il filtro LC (lato rete) e C4 è il filtro DV/DT lato rotore. La Figura 2 mostra la tecnologia del circuito del convertitore di potenza fotovoltaica, dove C1 è il filtro CC, C2 è il filtro EMI, C4 è il DC-Link, C6 è il filtro LC (lato rete), C3 è il filtro CC e C5 è l'assorbimento IPM/IGBT. La Figura 3 mostra il sistema di azionamento del motore principale nel sistema del veicolo a energia nuova, dove C3 è il DC-Link e C4 è il condensatore di assorbimento IGBT.
Nelle suddette applicazioni nel settore delle energie rinnovabili, i condensatori DC-Link, in quanto componenti chiave, richiedono elevata affidabilità e lunga durata nei sistemi di generazione di energia eolica, fotovoltaica e nei sistemi per veicoli a energia alternativa; pertanto, la loro selezione riveste un'importanza particolare. Di seguito viene presentato un confronto tra le caratteristiche dei condensatori a film e dei condensatori elettrolitici, con relativa analisi nell'applicazione come condensatori DC-Link.
1. Confronto delle caratteristiche
1.1 Condensatori a film
Viene innanzitutto illustrato il principio della tecnologia di metallizzazione a film sottile: 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 autoriparazione.
La Figura 4 mostra il principio del rivestimento di metallizzazione, in cui il supporto a film sottile viene pretrattato (con effetto corona o altro) prima della vaporizzazione in modo che le molecole metalliche possano aderirvi. Il metallo viene evaporato mediante dissoluzione ad alta temperatura sotto vuoto (da 1400℃ a 1600℃ per l'alluminio e da 400℃ a 600℃ per lo zinco), e il vapore metallico condensa sulla superficie del film quando incontra il film raffreddato (temperatura di raffreddamento del film da -25℃ a -35℃), 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 la progettazione di condensatori per applicazioni a impulsi o scariche con tecnologia a secco può raggiungere 500 V/µm, e la progettazione di condensatori per applicazioni di filtro CC può raggiungere 250 V/µm. Il condensatore DC-Link appartiene a quest'ultima categoria e, secondo la norma IEC61071 per le applicazioni di elettronica di potenza, è in grado di sopportare shock di tensione più severi, raggiungendo il doppio della tensione nominale.
Pertanto, l'utente deve considerare solo la tensione operativa 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 minore ESL soddisfa i requisiti di bassa induttanza degli inverter e riduce l'effetto di oscillazione alle frequenze di commutazione.
La qualità del dielettrico in film, la qualità del rivestimento di metallizzazione, la progettazione del condensatore e il processo di produzione determinano le caratteristiche di autoriparazione dei condensatori metallizzati. Il dielettrico in film utilizzato per i condensatori DC-Link è principalmente un film OPP.
Il contenuto del capitolo 1.2 verrà pubblicato nell'articolo della prossima settimana.
Data di pubblicazione: 22 marzo 2022