A coleção diversificada de tipos de capacitores não mudou muito nos últimos anos, mas as aplicações certamente o fizeram. Neste artigo, analisamos como os capacitores são usados em eletrônicos de energia e comparamos as tecnologias disponíveis. Capacitores de cinema estão mostrando suas vantagens nos próximos aplicativos, como veículos elétricos , Alter- Native Energy Power Conversão e inversores em unidades . No entanto, os eletrolíticos de alumínio (AL) ainda são importantes quando a densidade de armazenamento de energia é o principal requisito.
Al eletrolítico ou capacitor de filme?
É fácil demitir Al eletrolíticos Como a tecnologia de ontem, mas a diferenciação no desempenho entre eles e a alternativa do filme nem sempre é tão clara. Em termos de densidade de energia armazenada, isto é, Joules/centímetros cúbicos, eles ainda estão à frente dos capacitores de filmes padrão, embora variantes exóticas, como o alto cristão segmentado Polipropileno metalizado são comparáveis. Além disso, a AL eletrolíticos mantém sua classificação de corrente de ondulação em temperaturas mais altas melhor do que os capacitores de filmes concorrentes. Mesmo os problemas percebidos da vida e da confiabilidade não são tão significativos quando os eletrolíticos de Al são apropriadamente derrados. Os eletrolíticos ainda são muito atraentes, onde é necessário o passeio de uma tensão de barramento CC em uma interrupção de energia sem o backup da bateria. Por exemplo, quando o custo é um fator determinante, é especialmente difícil antecipar os capacitores de filmes dos capacitores a granel em fontes de alimentação off-line de commodities.
O filme ganha de várias maneiras
Os capacitores de filmes têm várias vantagens significativas sobre outros capacitores: as classificações equivalentes de resistência a séries (ESR) podem ser dramaticamente mais baixas, levando a um manuseio ripplecorrente muito melhor. As classificações de tensão de surtos também são superiores e, talvez mais significativamente, os capacitores de cinema podem se curar
Fig 1 As características do filme do capacitor.
Fig 2 A variação do DF com a temperatura para o filme de polipropileno.
Após o estresse, levando a uma melhor confiabilidade e vida útil do sistema. No entanto, a capacidade de auto-ciclo depende do nível de estresse, dos valores de pico e da taxa de repetição. Além disso, a eventual falha catastrófica ainda é possível devido à deposição de carbono e dano colateral do arco plasmático gerado durante a limpeza de falhas. Essas características correspondem às aplicações modernas da conversão de energia em veículos elétricos e sistemas de energia alternativos, onde não há falta necessária com interrupções ou entre picos de ondulação de frequência de linha. O principal requisito é a capacidade de adquirir e afundar correntes de ondulação de alta frequência que podem atingir centenas, senão milhares de amplificadores, mantendo perdas toleráveis e alta confiabilidade. Há também um movimento para tensões mais altas de barramento para reduzir as perdas ôhmicas em determinados níveis de energia. Isso significaria uma conexão em série de eletrolíticos AL com sua classificação máxima de tensão inerente a aproximadamente 550 V. Para evitar um desequilíbrio de tensão, pode ser necessário escolher os capacitores caros com valores correspondentes e usar resistores de balanceamento de tensão com suas perdas e custos associados.
A questão da confiabilidade não é direta, embora, em condições controladas, os eletrolíticos sejam comparáveis ao filme de energia, o que significa que eles normalmente suportam apenas 20% da sobretensão antes que ocorram danos. Por outro lado, os capacitores de filmes podem suportar talvez 100% da sobretensão por períodos limitados. Após a falha, os eletrolíticos podem curto-circuito e explodir, derrubando todo um banco de componentes em série/paralelo com uma descarga de eletrólitos perigosos. Os capacitores de filmes também podem se afastar, mas a confiabilidade do sistema sob condições autênticas de estresse ocasional pode ser muito diferente entre os dois tipos. Como em todos os componentes, os altos níveis de umidade podem degradar o desempenho do capacitor de filmes e, para a melhor confiabilidade, isso deve ser bem controlado. Outro diferenciador prático é a facilidade de montar capacitores de filmes - eles estão disponíveis em gabinetes isolados e retangulares volumetricamente eficientes com uma variedade de opções de conexão elétrica, desde terminais de parafuso a terminais, fastos e barras de ônibus, em comparação com as latas de metal redondas típicas de eletrolíticas. O filme dielétrico não polar fornece montagem à prova de reverso e permite o uso em aplicações em que o CA é aplicado, como na filtragem de inversor output.
Obviamente, existem muitos tipos dielétricos de capacitor de filme disponíveis e a Figura 1 fornece um resumo de suas performances comparativas [1]. O filme de polipropileno é o vencedor geral quando as perdas e a confiabilidade sob estresse são as principais considerações devido à sua baixa DF e ruptura dielétrica alta por unidade de espessura. Os outros filmes podem ser melhores para classificação de temperatura e capacitância/volume, com constantes dielétricas mais altas e disponibilidade de filmes mais finos e, em baixas tensões, o poliéster ainda está em uso comum. O DF é particularmente importante e definido como ESR/reatância capacitiva e geralmente é especificada a 1 kHz e 25 ° C. Um DF baixo em comparação com outros dielétricos implica menor aquecimento e é uma maneira de comparar perdas por microfarada. O DF varia ligeiramente com a frequência e a temperatura, mas o polipropileno tem melhor desempenho. As figuras 2 e 3 mostram as parcelas típicas.
Existem dois tipos principais de construções de capacitores de filme que usam folha e depositaram metalização, como mostrado na Figura 4. Folha de metal com aproximadamente 5 nm de espessura é normalmente usada entre camadas dielétricas por sua alta capacidade de corrente de pico, mas não faz com que a auto-cura após o estresse duradouro. O filme metalizado é formado por um vácuo e normalmente depositando Al a 1.200 ° C no filme até uma espessura de aproximadamente 20 a 50 nm com a temperatura do filme variando de -25 a -35 ° C,
Fig 3 A variação do DF com a frequência do filme de polipropileno.
Fig 4 A construção do capacitor de filme
Embora as ligas de zinco (Zn) e Al-Zn também possam ser usadas. Esse processo permite a auto-cicatrização, onde quebras em qualquer ponto do dielétrico causam aquecimento intenso localizado, talvez até 6.000 ° C, fazendo com que um plasma se formasse. A metalização em torno do canal de avaria é vaporizada, com a rápida expansão do plasma que extingue a descarga, o que isola o defeito e deixa o capacitor totalmente funcional. A redução da capacitância é mínima, mas aditiva ao longo do tempo, tornando -a um indicador útil do envelhecimento do componente.
Um método comum para melhorar a confiabilidade é segmentar a metalização no filme em áreas, talvez milhões, com portões estreitos alimentando a corrente nos segmentos e agindo como fusíveis para sobrecargas brutas. O estreitamento do caminho atual total para a metalização reduz o manuseio de pico de corrente do componente, mas a margem de segurança extra introduzida permite que o capacitor seja classificado com uso útil em tensões mais altas.
O polipropileno moderno possui uma resistência dielétrica de aproximadamente 650 V/µm e está disponível em espessuras de aproximadamente 1,9 µm e para cima, de modo que as classificações de tensão do capacitor até vários quilovolts são rotineiramente atingíveis, com algumas peças com classificação a 100 kV. No entanto, em tensões mais altas, o fenômeno da descarga parcial (DP), também conhecido como descarga de corona, se torna um fator. A DP é a quebra de microvóides de alta tensão na maior parte do material ou nas lacunas de ar entre camadas de material, causando um curto-circuito parcial do caminho isolante total. PD (descarga corona) deixa um leve traço de carbono; O efeito inicial é imperceptível, mas pode se acumular ao longo do tempo até que ocorra uma quebra bruta e repentina do isolamento enfraquecido e com troca de carbono. O efeito é descrito pela curva de paschen, mostrada na Figura 5, e possui um início característico e tensão de extinção. A figura mostra dois exemplos de forças de campo. Pontos acima da curva de Paschen, a, provavelmente produzirão uma quebra de PD.
Fig 5 A curva de paschen e o exemplo do campo elétrico forças.
Para combater o efeito, capacitores com classificação de tensão muito alta são impregnados de óleo para excluir o ar das interfaces de camada. Os tipos de menor tensão tendem a ser preenchidos com resina, o que também ajuda na robustez mecânica. Outra solução é formar capacitores em série em caixas únicas, reduzindo efetivamente a queda de tensão em cada um para bem abaixo da tensão de início. A DP é um efeito devido à intensidade do campo elétrico, portanto, é sempre possível aumentar a espessura dielétrica para diminuir o gradiente de tensão, mas aumenta o tamanho geral do capacitor. Existem projetos de capacitores que combinam folhas e metalização para proporcionar um compromisso entre a capacidade de pico de corrente e a autocura. A metalização também pode ser classificada a partir da borda do capacitor, para que o material mais espesso nas bordas ofereça melhor manuseio atual e rescisão mais robusta por solda ou soldagem, e a classificação pode ser contínua ou escalonada.
Talvez seja útil dar um passo atrás e observar como o uso de capacitores al-eletrolíticos é vantajoso. Um exemplo está em um conversor off-line de 90%eficiente e 1 kW com uma extremidade frontal corrigida por fator de potência, precisando de um passeio de 20 ms, como mostrado na Figura 6. Ele normalmente tem um barramento de CC interno com tensão nominal, a regulamentação VN, de 400 V e uma tensão queda, VD, de 300 V, abaixo da regulamentação da produção, é perdida.
O capacitor em massa C1 fornece energia para manter a potência constante de saída durante o tempo de condução especificado, à medida que a tensão do barramento cai de 400 para 300 V após uma interrupção. Matematicamente, PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) ou C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634NF na classificação de 450 V.
Se Capacitores al-eletrolíticos são usados, então a equação resulta em um volume necessário de aproximadamente 52 cm3 (ou seja, 3 em 3), por exemplo, se o TDK-EPCOS A série B43508 é usada. Por outro lado, os capacitores de filmes seriam impraticamente grandes, exigindo talvez 15 em paralelo em um volume total de 1.500 cm3 (ou seja, 91 em 3) se a série TDK-EPCOS B32678 for usada. A diferença é óbvia, mas a opção mudaria se o capacitor necessário para controlar a tensão da ondulação em uma linha CC. Dê um exemplo semelhante em que a tensão de barramento de 400 V é de uma bateria, para que o segure não seja necessário. No entanto, é necessário reduzir o efeito da ondulação para, por exemplo, 4 V raiz ao quadrado (RMS) de 80 Pulsos de corrente de alta frequência RMS tomados por um conversor a jusante a 20 kHz. Isso pode ser uma aplicação de veículo elétrico, e a capacitância necessária pode ser aproximada de C = IRMS/Vrippe.2.π.f = 80/4*2*3,14*20*1000 = 160 UF na classificação de 450 V.
Fig 6 O capacitor para passear (aguarde). HVDC: DC de alta tensão.
Um eletrolítico a 180 µF, 450 V pode ter uma classificação ruipplecorrente de apenas 3,5 A RMS a 60 ° C, incluindo correção de frequência (série EPCOS B43508). Assim, para 80 A, 23 capacitores seriam necessários em paralelo, produzindo 4.140 µF desnecessários com um volume total de 1.200 cm3 (ou seja, 73 em 3). Isso está em conformidade com a classificação de corrente de ondulação de 20 mA/µF às vezes citada para eletrolíticos. Se os capacitores de cinema são considerados, agora, apenas quatro em paralelo do EPCOS B32678 As séries dão uma classificação de corrente de ondulação de 132-A RMS em um volume de 402 cm3 (ou seja, 24,5 em 3). Se a temperatura for restrita, por exemplo, menos de 70 ° C, um tamanho menor de caixa ainda poderá ser escolhido. Mesmo se escolhermos eletrolíticos por outros motivos, o excesso de capacitância pode causar outros problemas, como o controle da energia na corrente de entrada. Obviamente, se sobretensões transitórias pudessem ocorrer, os capacitores do filme seriam muito mais robustos no aplicativo. Um exemplo disso seria em tração leve, onde uma conexão intermitente com uma catenária causa sobretensão na conexão DC-link.
Este exemplo é típico de muitos ambientes atualmente, como em sistemas ininterruptos de fonte de alimentação, energia eólica e solar, soldagem e inversores amarrados na grade. As diferenças de custo entre os eletrolíticos de filme e Al podem ser resumidos em números publicados em 2013 [2]. Os custos típicos para um BUS CC do 440 VCA retificados podem ser encontrados na Tabela 1.
Outras aplicações são para dissociação e circuitos de amortecedor em conversores ou inversores. Aqui, a construção de filmes/folhas deve ser usada se o tamanho permitir, pois os tipos metalizados exigirem etapas especiais de design e fabricação. À medida que a dissociação, o capacitor é colocado através do barramento CC para fornecer um caminho de baixa indutância para circular correntes de alta frequência, normalmente 1 µF por 100 por comutados. Sem o capacitor, a corrente circula através de loops de indutância mais alta, causando tensões transitórias (VTR) de acordo com o seguinte: vtr = -ldi/dt.
Com alterações atuais de 1.000 A/µs sendo possíveis, apenas algumas nanohenrias de indutância podem produzir tensões significativas. Os rastreamentos de placa de circuito impresso podem ter uma indutância de cerca de 1 NH/mm, fornecendo, portanto, aproximadamente 1 Vtr/mm nessa situação. Assim, é importante que as conexões sejam o mais curtas possível. Para controlar o DV/ dt entre os interruptores, o capacitor e um resistor/ rede de diodos são colocados em paralelo com um IGBT ou MOSFET (Figura 7).
Isso diminui o toque, controla a interferência eletromagnética (EMI) e evita a comutação espúria devido à alta
Fig 7 O interruptor desprezando. Fig 8 Os capacitores do filme como supressão EMI. Fig 9 Os capacitores do filme na filtragem EMC de tração de motor.
dv/dt, particularmente em IGBTs. Um ponto de partida é frequentemente fazer a capacitância de amortecedor aproximadamente o dobro da soma da capacitância de saída da chave e da capacitância de montagem, e o resistor é então escolhido para amortecer criticamente qualquer toque. Abordagens de design mais ótimas foram formuladas.
Os capacitores de polipropileno com classificação de segurança são frequentemente usados nas linhas de energia para reduzir o EMI do modo diferencial (Figura 8). Sua capacidade de suportar sobretensões transitórias e a auto-cura é crucial. Os capacitores nessas posições são classificados como X1 ou X2, que podem suportar transientes de 4 e 2,5 kV, respectivamente. Os valores utilizados geralmente estão nos microfarads para alcançar a conformidade com os padrões típicos de compatibilidade eletromagnética (EMC) em altos níveis de potência. Os capacitores do tipo filme também podem ser usados em posições de linha a terra para atenuar o ruído do modo comum, onde o valor da pacitância da CA é limitado devido a considerações de corrente de vazamento (Figura 8). As versões Y1 e Y2 estão disponíveis para classificações transitórias de 8 e 5 kV, respectivamente. Baixas indutâncias de conexão dos capacitores de filmes Também ajuda a manter as auto-ressonâncias altas.
Uma aplicação crescente para capacitores não polarizados é formar filtros passa-baixo com indutores em série para atenuar os harmônicos de alta frequência na saída CA de unidades e inversores (Figura 9). Os capacitores de polipropileno são frequentemente usados para sua confiabilidade, classificação de alta corrente de ondulação e boa eficiência volumétrica na aplicação, e os indutores e capacitores são frequentemente embalados em um módulo. Cargas como motores geralmente estão distantes da unidade de acionamento, e os filtros são usados para permitir que os sistemas atendam aos requisitos de EMC e reduzem o estresse no cabeamento e nos motores de níveis excessivos de DV/dt.
