Esta semana continuamos com o artigo da semana passada.

1.2 Capacitores eletrolíticos

O dielétrico utilizado nos capacitores eletrolíticos é o óxido de alumínio formado pela corrosão do alumínio, com constante dielétrica de 8 a 8,5 e rigidez dielétrica de trabalho de cerca de 0,07V/A (1µm=10000A).Contudo, não é possível atingir tal espessura.A espessura da camada de alumínio reduz o fator de capacidade (capacitância específica) dos capacitores eletrolíticos porque a folha de alumínio deve ser gravada para formar uma película de óxido de alumínio para obter boas características de armazenamento de energia, e a superfície formará muitas superfícies irregulares.Por outro lado, a resistividade do eletrólito é de 150Ωcm para baixa tensão e 5kΩcm para alta tensão (500V).A maior resistividade do eletrólito limita a corrente RMS que o capacitor eletrolítico pode suportar, normalmente a 20mA/µF.

Por estas razões, os capacitores eletrolíticos são projetados para tensão máxima típica de 450 V (alguns fabricantes individuais projetam para 600 V).Portanto, para obter tensões mais elevadas é necessário alcançá-las conectando capacitores em série.Porém, devido à diferença na resistência de isolamento de cada capacitor eletrolítico, um resistor deve ser conectado a cada capacitor para equilibrar a tensão de cada capacitor conectado em série.Além disso, os capacitores eletrolíticos são dispositivos polarizados e, quando a tensão reversa aplicada excede 1,5 vezes Un, ocorre uma reação eletroquímica.Quando a tensão reversa aplicada for longa o suficiente, o capacitor irá derramar.Para evitar esse fenômeno, um diodo deve ser conectado próximo a cada capacitor quando este for utilizado.Além disso, a resistência a surtos de tensão dos capacitores eletrolíticos é geralmente 1,15 vezes Un, e os bons podem chegar a 1,2 vezes Un.Portanto, os projetistas devem considerar não apenas a tensão de trabalho em estado estacionário, mas também a tensão de surto ao usá-los.Em resumo, a seguinte tabela de comparação entre capacitores de filme e capacitores eletrolíticos pode ser desenhada, veja a Fig.1.

2. Análise de Aplicação

Os capacitores DC-Link como filtros requerem projetos de alta corrente e alta capacidade.Um exemplo é o sistema de acionamento do motor principal de um veículo de nova energia, conforme mencionado na Fig.3.Nesta aplicação o capacitor desempenha um papel de desacoplamento e o circuito apresenta uma alta corrente de operação.O capacitor DC-Link de filme tem a vantagem de poder suportar grandes correntes de operação (Irms).Tome como exemplo os parâmetros do veículo de energia nova de 50 ~ 60kW, os parâmetros são os seguintes: tensão operacional 330 Vcc, tensão de ondulação 10Vrms, corrente de ondulação 150Arms@10KHz.

Então a capacidade elétrica mínima é calculada como:

Isso é fácil de implementar no projeto de capacitores de filme.Supondo que sejam utilizados capacitores eletrolíticos, se 20mA/μF for considerado, a capacitância mínima dos capacitores eletrolíticos é calculada para atender aos parâmetros acima da seguinte forma:

Isso requer vários capacitores eletrolíticos conectados em paralelo para obter essa capacitância.

Em aplicações de sobretensão, como metrô leve, ônibus elétrico, metrô, etc. Considerando que essas potências estão conectadas ao pantógrafo da locomotiva através do pantógrafo, o contato entre o pantógrafo e o pantógrafo é intermitente durante o percurso de transporte.Quando os dois não estão em contato, a fonte de alimentação é suportada pelo capacitor de tinta DC-L e, quando o contato é restaurado, a sobretensão é gerada.O pior caso é uma descarga completa do capacitor do link CC quando desconectado, onde a tensão de descarga é igual à tensão do pantógrafo, e quando o contato é restaurado, a sobretensão resultante é quase duas vezes a Un nominal de operação.Para capacitores de filme, o capacitor DC-Link pode ser manuseado sem considerações adicionais.Se forem utilizados capacitores eletrolíticos, a sobretensão é de 1,2Un.Tomemos como exemplo o metrô de Xangai.Un=1500Vdc, para capacitor eletrolítico considerar a tensão é:

Então os seis capacitores de 450V devem ser conectados em série.Se o projeto do capacitor de filme for usado em 600 Vcc a 2.000 Vcc ou mesmo 3.000 Vcc, isso será facilmente alcançado.Além disso, a energia no caso de descarga total do capacitor forma uma descarga de curto-circuito entre os dois eletrodos, gerando uma grande corrente de irrupção através do capacitor DC-Link, que geralmente é diferente para capacitores eletrolíticos para atender aos requisitos.

Além disso, em comparação com capacitores eletrolíticos, os capacitores de filme DC-Link podem ser projetados para atingir ESR muito baixo (normalmente abaixo de 10mΩ, e ainda menor <1mΩ) e LS de autoindutância (normalmente abaixo de 100nH e, em alguns casos, abaixo de 10 ou 20nH) .Isso permite que o capacitor de filme DC-Link seja instalado diretamente no módulo IGBT quando aplicado, permitindo que o barramento seja integrado ao capacitor de filme DC-Link, eliminando assim a necessidade de um capacitor absorvedor IGBT dedicado ao usar capacitores de filme, economizando ao designer uma quantia significativa de dinheiro.Figura 2.e 3 apresentam as especificações técnicas de alguns produtos C3A e C3B.

3. Conclusão

No início, os capacitores DC-Link eram principalmente capacitores eletrolíticos devido a considerações de custo e tamanho.

No entanto, os capacitores eletrolíticos são afetados pela capacidade de resistência de tensão e corrente (ESR muito maior em comparação aos capacitores de filme), por isso é necessário conectar vários capacitores eletrolíticos em série e paralelo para obter grande capacidade e atender aos requisitos de uso de alta tensão.Além disso, considerando a volatilização do material eletrolítico, ele deve ser substituído regularmente.Novas aplicações energéticas geralmente exigem uma vida útil do produto de 15 anos, por isso ele deve ser substituído 2 a 3 vezes durante esse período.Portanto, há um custo e inconvenientes consideráveis ​​no serviço pós-venda de toda a máquina.Com o desenvolvimento da tecnologia de revestimento de metalização e da tecnologia de capacitores de filme, foi possível produzir capacitores de filtro DC de alta capacidade com tensão de 450V a 1200V ou até mais com filme OPP ultrafino (o mais fino 2,7 µm, até 2,4 µm) usando tecnologia de vaporização de filme de segurança.Por outro lado, a integração dos capacitores DC-Link com o barramento torna o design do módulo inversor mais compacto e reduz bastante a indutância parasita do circuito para otimizar o circuito.