Esta semana vamos analisar o uso de capacitores de filme em vez de capacitores eletrolíticos em capacitores de barramento CC. Este artigo será dividido em duas partes.

Com o desenvolvimento da indústria de novas energias, a tecnologia de corrente variável é amplamente utilizada, e os capacitores de barramento CC (DC-Link) são particularmente importantes como um dos principais componentes a serem selecionados. Os capacitores de barramento CC em filtros CC geralmente requerem alta capacidade, processamento de alta corrente e alta tensão, entre outras características. Comparando as características de capacitores de filme e capacitores eletrolíticos e analisando as aplicações relacionadas, este artigo conclui que, em projetos de circuitos que exigem alta tensão de operação, alta corrente de ondulação (Irms), requisitos de sobretensão, inversão de tensão, alta corrente de pico (dV/dt) e longa vida útil, os capacitores de filme se tornarão uma tendência para os projetistas, substituindo os capacitores eletrolíticos em termos de desempenho e preço no futuro. Com o desenvolvimento da tecnologia de deposição de vapor metalizado e da tecnologia de capacitores de filme, estes últimos se tornarão uma tendência para substituir os capacitores eletrolíticos em termos de desempenho e preço no futuro.

Com a introdução de novas políticas energéticas e o desenvolvimento da indústria de novas energias em diversos países, o desenvolvimento de indústrias correlatas nesse campo trouxe novas oportunidades. E os capacitores, como um produto essencial na indústria de componentes a montante, também ganharam novas oportunidades de desenvolvimento. Em novas energias e veículos de novas energias, os capacitores são componentes-chave no controle de energia, gerenciamento de energia, inversores de potência e sistemas de conversão CC-CA, que determinam a vida útil do conversor. No entanto, no inversor, a energia CC é usada como fonte de alimentação de entrada, conectada ao inversor por meio de um barramento CC, chamado de barramento CC ou barramento CC. Como o inversor recebe altas correntes RMS e de pico do barramento CC, ele gera altas tensões de pulso no barramento CC, o que dificulta sua operação. Portanto, o capacitor do barramento CC é necessário para absorver a alta corrente de pulso do barramento CC e evitar que a alta flutuação da tensão de pulso do inversor se mantenha dentro da faixa aceitável; por outro lado, ele também protege o inversor contra sobretensões e sobretensões transitórias no barramento CC.

Os diagramas esquemáticos da utilização de capacitores de barramento CC em novas energias (incluindo geração de energia eólica e geração de energia fotovoltaica) e em sistemas de acionamento de motores de veículos de novas energias são mostrados nas Figuras 1 e 2.

A Figura 1 mostra a topologia do circuito conversor de energia eólica, onde C1 é o barramento CC (geralmente integrado ao módulo), C2 é o capacitor de absorção do IGBT, C3 é o capacitor de filtragem LC (lado da rede) e C4 é o capacitor de filtragem DV/DT (lado do rotor). A Figura 2 mostra a tecnologia do circuito conversor de energia fotovoltaica, onde C1 é o capacitor de filtragem CC, C2 é o capacitor de filtragem EMI, C4 é o barramento CC, C6 é o capacitor de filtragem LC (lado da rede), C3 é o capacitor de filtragem CC e C5 é o capacitor de absorção do IPM/IGBT. A Figura 3 mostra o sistema de acionamento do motor principal em um veículo de nova energia, onde C3 é o barramento CC e C4 é o capacitor de absorção do IGBT.

Nas aplicações de novas energias mencionadas acima, os capacitores de barramento CC, como dispositivos essenciais, requerem alta confiabilidade e longa vida útil em sistemas de geração de energia eólica, sistemas de geração de energia fotovoltaica e sistemas de veículos de novas energias, sendo, portanto, sua seleção particularmente importante. A seguir, apresentamos uma comparação das características dos capacitores de filme e dos capacitores eletrolíticos, bem como sua análise na aplicação de capacitores de barramento CC.

1. Comparação de recursos

1.1 Capacitores de filme

O princípio da tecnologia de metalização de filmes é apresentado a seguir: uma camada suficientemente fina de metal é vaporizada na superfície do meio de filme fino. Na presença de um defeito no meio, a camada é capaz de evaporar e, assim, isolar o ponto defeituoso para proteção, um fenômeno conhecido como autorreparação.

A Figura 4 ilustra o princípio do revestimento por metalização, onde o meio de filme fino é pré-tratado (por corona ou outro método) antes da vaporização, permitindo a adesão de moléculas metálicas. O metal é evaporado por dissolução a alta temperatura sob vácuo (1400 °C a 1600 °C para alumínio e 400 °C a 600 °C para zinco), e o vapor metálico condensa na superfície do filme ao entrar em contato com o filme resfriado (temperatura de resfriamento do filme de -25 °C a -35 °C), formando assim um revestimento metálico. O desenvolvimento da tecnologia de metalização aprimorou a rigidez dielétrica do filme por unidade de espessura, permitindo que capacitores para aplicações de pulso ou descarga em tecnologia seca alcancem 500 V/µm, enquanto capacitores para filtros CC podem atingir 250 V/µm. Capacitores de barramento CC pertencem a esta última categoria e, de acordo com a norma IEC 61071 para aplicações em eletrônica de potência, podem suportar choques de tensão mais severos, chegando a até duas vezes a tensão nominal.

Portanto, o usuário só precisa considerar a tensão operacional nominal exigida para seu projeto. Os capacitores de filme metalizado possuem baixa ESR, o que lhes permite suportar correntes de ondulação maiores; a menor ESL atende aos requisitos de projeto de baixa indutância dos inversores e reduz o efeito de oscilação nas frequências de comutação.

A qualidade do dielétrico em filme, a qualidade do revestimento de metalização, o projeto do capacitor e o processo de fabricação determinam as características de autorreparação dos capacitores metalizados. O dielétrico em filme utilizado na fabricação de capacitores DC-Link é principalmente o filme OPP.

O conteúdo do capítulo 1.2 será publicado no artigo da próxima semana.