A diversificada coleção de tipos de capacitores não mudou muito nos últimos anos, mas as aplicações certamente mudaram. Neste artigo, veremos como os capacitores são usados em eletrônica de potência e comparamos as tecnologias disponíveis. Capacitores de filme estão mostrando suas vantagens em aplicações futuras, como veículos elétricos , conversão de energia de energia alternativa e inversores em drives . 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 descartar Al eletrolíticos como a tecnologia de ontem, mas a diferenciação de desempenho entre eles e a alternativa cinematográfica nem sempre é tão clara. Em termos de densidade de energia armazenada, ou seja, joules/centímetros cúbicos, eles ainda estão à frente dos capacitores de filme padrão, embora variantes exóticas, como segmentados de alto cristalino polipropileno metalizado são comparáveis. Além disso, os eletrolíticos de Al mantêm sua classificação de corrente de ondulação em temperaturas mais altas melhor do que os capacitores de filme concorrentes. Mesmo os problemas percebidos de vida útil e confiabilidade não são tão significativos quando os eletrolíticos de Al são adequadamente reduzidos. Todos os eletrolíticos ainda são muito atraentes onde a passagem de uma tensão de barramento CC em uma queda de energia é necessária sem bateria reserva. Por exemplo, quando o custo é um fator determinante, é especialmente difícil prever que os capacitores de filme substituam os capacitores em massa nas fontes de alimentação off-line comuns.
O filme vence de várias maneiras
Os capacitores de filme têm várias vantagens significativas sobre outros capacitores: as classificações de resistência em série equivalente (ESR) podem ser drasticamente mais baixas, levando a um tratamento de corrente de ondulação muito melhor. As classificações de tensão de surto também são superiores e, talvez o mais significativo, os capacitores de filme podem se auto-curar
FIGURA 1 As características do filme capacitor.
FIGURA 2 A variação do DF com a temperatura para filme de polipropileno.
Após o estresse, levando a melhor confiabilidade e vida útil do sistema. No entanto, a capacidade de autocura depende do nível de estresse, dos valores de pico e da taxa de repetição. Além disso, uma eventual falha catastrófica ainda é possível devido à deposição de carbono e danos colaterais do arco de plasma gerado durante a eliminação da falha. Essas características correspondem às aplicações modernas de conversão de energia em veículos elétricos e sistemas de energia alternativa onde não há necessidade de interrupção com interrupções ou entre picos de ondulação na frequência da linha. O principal requisito é a capacidade de gerar e absorver correntes onduladas de alta frequência que podem atingir centenas, senão milhares de amperes, mantendo perdas toleráveis e alta confiabilidade. Há também um movimento para tensões de barramento mais altas para reduzir as perdas ôhmicas em determinados níveis de potência. Isso significaria uma conexão em série de eletrolíticos de Al com sua tensão nominal máxima inerente de aproximadamente 550 V. Para evitar um desequilíbrio de tensão, pode ser necessário escolher capacitores caros com valores correspondentes e usar resistores de balanceamento de tensão com suas perdas e custos associados.
A questão da confiabilidade não é simples, embora, sob condições controladas, os eletrolíticos sejam comparáveis ao filme de potência, o que significa que normalmente suportarão apenas 20% de sobretensão antes que ocorram danos. Em contraste, os capacitores de filme podem suportar talvez 100% de sobretensão por períodos limitados. Em caso de falha, os eletrólitos podem entrar em curto-circuito e explodir, destruindo todo um banco de componentes em série/paralelo com uma descarga eletrolítica perigosa. Os capacitores de filme também podem se auto-curar, mas a confiabilidade do sistema sob condições autênticas de estresse ocasional pode ser muito diferente entre os dois tipos. Tal como acontece com todos os componentes, níveis elevados de umidade podem degradar o desempenho do capacitor de filme e, para melhor confiabilidade, isso deve ser bem controlado. Outro diferencial prático é a facilidade de montagem de capacitores de filme - eles estão disponíveis em caixas retangulares isoladas e volumetricamente eficientes, com uma variedade de opções de conexão elétrica, desde terminais de parafuso até terminais, fastons e barramentos, em comparação com as típicas latas redondas de metal de eletrolíticos. O filme dielétrico não polar oferece montagem à prova de inversão e permite o uso em aplicações onde CA é aplicada, como na filtragem de saída do inversor.
É claro que existem muitos tipos de dielétricos de capacitores de filme disponíveis, e a Figura 1 fornece um resumo de seus desempenhos comparativos [1]. O filme de polipropileno é o vencedor geral quando as perdas e a confiabilidade sob tensão são as principais considerações devido ao seu baixo DF e alta quebra dielétrica por unidade de espessura. Os outros filmes podem ser melhores em termos de classificação de temperatura e capacitância/volume, com constantes dielétricas mais altas e disponibilidade de filmes mais finos, e, em baixas tensões, o poliéster ainda é de uso comum. O DF é particularmente importante e definido como ESR/reatância capacitiva e geralmente é especificado em 1 kHz e 25 °C. Um DF baixo em comparação com outros dielétricos implica menor aquecimento e é uma forma de comparar perdas por microfarad. O DF varia ligeiramente com a frequência e a temperatura, mas o polipropileno tem melhor desempenho. As Figuras 2 e 3 mostram os gráficos típicos.
Existem dois tipos principais de construções de capacitores de filme que usam folha e metalização depositada, 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 funciona automaticamente. -curar depois de suportar estresse. O filme metalizado é formado por vácuo e normalmente depositando Al a 1.200 °C no filme até uma espessura de aproximadamente 20–50 nm com a temperatura do filme variando de -25 a -35 °C,
FIGURA 3 A variação do DF com a frequência para filme de polipropileno.
FIGURA 4 A construção do capacitor de filme
embora ligas de zinco (Zn) e Al-Zn também possam ser usadas. Este processo permite a autocura, onde quebras em qualquer ponto do dielétrico causam aquecimento intenso localizado, talvez até 6.000 °C, causando a formação de plasma. A metalização ao redor do canal de ruptura é vaporizada, com a rápida expansão do plasma extinguindo a descarga, o que isola o defeito e deixa o capacitor totalmente funcional. A redução da capacitância é mínima, mas aumenta ao longo do tempo, tornando-se um indicador útil do envelhecimento do componente.
Um método comum para aumentar ainda mais a confiabilidade é segmentar a metalização do filme em áreas, talvez milhões, com portas estreitas alimentando a corrente nos segmentos e atuando como fusíveis para sobrecargas graves. O estreitamento do caminho total da corrente para a metalização reduz o manuseio da corrente de pico do componente, mas a margem de segurança extra introduzida permite que o capacitor seja classificado de forma útil em tensões mais altas.
O polipropileno moderno tem uma rigidez dielétrica de aproximadamente 650 V/µm e está disponível em espessuras de aproximadamente 1,9 µm e superiores, de modo que classificações de tensão do capacitor de até vários quilovolts são rotineiramente atingíveis, com algumas peças até mesmo classificadas em 100 kV. Porém, em tensões mais altas, o fenômeno de descarga parcial (PD), também conhecido como descarga corona, torna-se um fator. PD é a quebra de microvazios de alta tensão na maior parte do material ou nos espaços de ar entre as 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 acumular-se ao longo do tempo até que ocorra uma ruptura grosseira e repentina do isolamento enfraquecido com traços de carbono. O efeito é descrito pela curva de Paschen, mostrada na Figura 5, e possui tensão característica de início e extinção. A figura mostra dois exemplos de intensidades de campo. Os pontos acima da curva de Paschen, A, provavelmente produzirão uma quebra de PD.
Figura 5 A curva de Paschen e exemplos de intensidades de campo elétrico.
Para combater o efeito, capacitores com tensão muito alta são impregnados com óleo para excluir o ar das interfaces das camadas. Os tipos de tensão mais baixa tendem a ser preenchidos com resina, o que também ajuda na robustez mecânica. Outra solução é formar capacitores em série em invólucros únicos, reduzindo efetivamente a queda de tensão em cada um para bem abaixo da tensão inicial. PD é um efeito devido à intensidade do campo elétrico, portanto, aumentar a espessura dielétrica para diminuir o gradiente de tensão é sempre possível, mas aumenta o tamanho geral do capacitor. Existem projetos de capacitores que combinam folhas e metalização para fornecer um compromisso entre capacidade de corrente de pico e autocura. A metalização também pode ser graduada a partir da borda do capacitor, de modo que o material mais espesso nas bordas proporcione melhor manuseio da corrente e terminação mais robusta por soldagem ou soldagem, e a classificação pode ser contínua ou escalonada.
Talvez seja útil dar um passo atrás e observar como o uso de capacitores eletrolíticos de Al é vantajoso. Um exemplo é um conversor off-line de 1 kW com eficiência de 90% e front-end com fator de potência corrigido, necessitando de um percurso de 20 ms, conforme mostrado na Figura 6. Ele normalmente terá um barramento CC interno com tensão nominal, Vn, de 400 V e uma tensão de queda, Vd, de 300 V, abaixo da qual a regulação de saída é perdida.
O capacitor C1 fornece energia para manter a potência de saída constante durante o tempo de operação 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 eletrolíticos de Al 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. Em contraste, os capacitores de filme seriam impraticavelmente grandes, exigindo talvez 15 em paralelo em um volume total de 1.500 cm3 (ou seja, 91 pol3) se a série TDK-EPCOS B32678 for usada. A diferença é óbvia, mas a escolha mudaria se o capacitor precisasse controlar a ondulação de tensão em uma linha CC. Veja um exemplo semelhante em que a tensão do barramento de 400 V vem de uma bateria, portanto, a retenção não é necessária. No entanto, há uma necessidade de reduzir o efeito de ondulação para, por exemplo, 4 V raiz média quadrada (rms) de pulsos de corrente de alta frequência de 80 A rms obtidos por um conversor a jusante a 20 kHz. Esta poderia ser uma aplicação em 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.
FIGURA 6 O capacitor para um passeio (segure). HVDC: CC de alta tensão.
Um eletrolítico a 180 µF, 450 V pode ter uma classificação de corrente de ondulação de apenas aproximadamente 3,5 A rms a 60 °C, incluindo correção de frequência (série EPCOS B43508). Assim, para 80 A, seriam necessários 23 capacitores em paralelo, produzindo 4.140 µF desnecessários com um volume total de 1.200 cm3 (ou seja, 73 pol 3). Isso está em conformidade com a classificação de corrente de ondulação de 20 mA/µF, às vezes citada, para eletrolíticos. Se considerarmos os capacitores de filme, agora, apenas quatro em paralelo a partir do EPCOS B32678 séries fornecem uma classificação de corrente de ondulação rms de 132 A em um volume de 402 cm3 (ou seja, 24,5 em 3 ). Se a temperatura for restrita a, por exemplo, menos de 70°C ambiente, então um tamanho de caixa menor ainda poderá ser escolhido. Mesmo que optemos por eletrolíticos por outros motivos, o excesso de capacitância pode causar outros problemas, como o controle da energia na corrente de partida. É claro que, se pudessem ocorrer sobretensões transitórias, os capacitores de filme seriam muito mais robustos na aplicação. Um exemplo disso seria na tração leve, onde uma conexão intermitente a uma catenária causa sobretensão na conexão do barramento CC.
Este exemplo é típico de muitos ambientes atuais, como em sistemas de fornecimento de energia ininterrupta, energia eólica e solar, soldagem e inversores ligados à rede. As diferenças de custo entre filme e eletrolíticos de Al podem ser resumidas em números publicados em 2013 [2]. Os custos típicos de um barramento CC de 440 Vca retificado podem ser encontrados na Tabela 1.
Outras aplicações são para desacoplamento e circuitos de amortecimento em conversores ou inversores. Aqui, a construção de filme/folha deve ser usada se o tamanho permitir, pois os tipos metalizados exigem etapas especiais de projeto e fabricação. Como desacoplamento, o capacitor é colocado através do barramento CC para fornecer um caminho de baixa indutância para a circulação de correntes de alta frequência, normalmente 1 µF por 100 A 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 de corrente de 1.000 A/µs possíveis, apenas alguns nanohenries de indutância podem produzir tensões significativas. Os traços de placas de circuito impresso podem ter uma indutância em torno de 1 nH/mm, fornecendo, portanto, aproximadamente 1 Vtr/mm nesta situação. Portanto, é importante que as conexões sejam o mais curtas possível. Para controlar dV/dt através de chaves, o capacitor e uma rede de resistores/diodos são colocados em paralelo com um IGBT ou MOSFET (Figura 7).
Isso retarda o toque, controla a interferência eletromagnética (EMI) e evita comutação falsa devido a alta
FIGURA 7 O interruptor esnobando. FIGURA 8 Os capacitores de filme como supressão de EMI. FIGURA 9 Os capacitores de filme na filtragem EMC do acionamento motorizado.
dV/dt, particularmente em IGBTs. Um ponto de partida geralmente é fazer com que a capacitância do amortecedor seja 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 otimizadas foram formuladas.
Capacitores de polipropileno com classificação de segurança são frequentemente usados em linhas de energia para reduzir EMI de modo diferencial (Figura 8). Sua capacidade de suportar sobretensões transitórias e de autocura 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 usados geralmente estão em microfarads para atingir a conformidade com os padrões típicos de compatibilidade eletromagnética (EMC) em altos níveis de potência. Os capacitores de filme tipo Y também podem ser usados em posições linha-terra para atenuar o ruído de modo comum onde o valor de capacitância é limitado devido a considerações de corrente de fuga (Figura 8). As versões Y1 e Y2 estão disponíveis para classificações transitórias de 8 e 5 kV, respectivamente. Baixas indutâncias de conexão de capacitores de filme também ajudam a manter a auto-ressonância alta.
Uma aplicação crescente para capacitores não polarizados é formar filtros passa-baixa com indutores em série para atenuar harmônicos de alta frequência na saída CA de inversores e inversores (Figura 9). Capacitores de polipropileno são frequentemente usados por sua confiabilidade, alta corrente de ondulação e boa eficiência volumétrica na aplicação, e os indutores e capacitores são frequentemente embalados juntos em um módulo. Cargas como motores geralmente estão distantes da unidade de acionamento e filtros são usados para permitir que os sistemas atendam aos requisitos de EMC e reduzam o estresse nos cabos e nos motores devido a níveis excessivos de dV/dt.
