Esta semana damos continuidade ao artigo da semana passada.

1.2 Capacitores eletrolíticos

O dielétrico usado em capacitores eletrolíticos é o óxido de alumínio, formado pela corrosão do alumínio, com uma constante dielétrica de 8 a 8,5 e uma rigidez dielétrica de trabalho de cerca de 0,07 V/A (1 µm = 10.000 A). No entanto, não é possível atingir tal espessura. A espessura da camada de alumínio reduz o fator de capacidade (capacitância específica) dos capacitores eletrolíticos, pois a folha de alumínio precisa ser gravada para formar um filme de óxido de alumínio e obter boas características de armazenamento de energia, e a superfície resultante apresentará muitas irregularidades. Por outro lado, a resistividade do eletrólito é de 150 Ω cm para baixa tensão e 5 kΩ cm para alta tensão (500 V). A alta resistividade do eletrólito limita a corrente RMS que o capacitor eletrolítico pode suportar, tipicamente a 20 mA/µF.

Por esses motivos, os capacitores eletrolíticos são projetados para uma tensão máxima típica de 450 V (alguns fabricantes projetam para 600 V). Portanto, para obter tensões mais altas, é necessário conectar capacitores em série. No entanto, devido à diferença na resistência de isolamento de cada capacitor eletrolítico, um resistor deve ser conectado a cada capacitor para equilibrar a tensão entre eles. Além disso, os capacitores eletrolíticos são dispositivos polarizados e, quando a tensão reversa aplicada excede 1,5 vezes a tensão de ruptura (Un), ocorre uma reação eletroquímica. Se a tensão reversa aplicada for mantida por tempo suficiente, o capacitor pode romper. Para evitar esse fenômeno, um diodo deve ser conectado próximo a cada capacitor durante o uso. Ademais, a resistência a surtos de tensão dos capacitores eletrolíticos é geralmente de 1,15 vezes a tensão de ruptura (Un), podendo chegar a 1,2 vezes em capacitores de boa qualidade. Portanto, os projetistas devem considerar não apenas a tensão de operação em regime permanente, mas também a tensão de surto ao utilizá-los. Em resumo, a seguinte tabela comparativa entre capacitores de filme e capacitores eletrolíticos pode ser elaborada (ver Figura 1).

2. Análise de Aplicação

Os capacitores de barramento CC, quando utilizados como filtros, exigem projetos de alta corrente e alta capacidade. Um exemplo é o sistema de acionamento do motor principal de um veículo de nova energia, conforme mostrado na Figura 3. Nessa aplicação, o capacitor desempenha um papel de desacoplamento e o circuito apresenta uma alta corrente de operação. O capacitor de filme para barramento CC tem a vantagem de suportar altas correntes de operação (Irms). Tomando como exemplo os parâmetros de um veículo de nova energia de 50 a 60 kW, estes são os seguintes: tensão de operação de 330 Vcc, tensão de ondulação de 10 Vrms e corrente de ondulação de 150 Arms a 10 kHz.

Em seguida, a capacidade elétrica mínima é calculada como:

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

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

Em aplicações sujeitas a sobretensão, como trens leves, ônibus elétricos, metrô, etc., considerando que a energia é conectada ao pantógrafo da locomotiva, o contato entre o pantógrafo e o barramento CC é intermitente durante o transporte. Quando os dois não estão em contato, a alimentação é suportada pelo capacitor do barramento CC (DC-Link), e quando o contato é restabelecido, a sobretensão é gerada. O pior caso é a descarga completa do capacitor do barramento CC quando desconectado, onde a tensão de descarga é igual à tensão do pantógrafo, e quando o contato é restabelecido, a sobretensão resultante é quase o dobro da tensão nominal de operação Un. Para capacitores de filme, o capacitor do barramento CC pode ser tratado sem considerações adicionais. Se capacitores eletrolíticos forem usados, a sobretensão é de 1,2 Un. Tomando como exemplo o metrô de Xangai, onde Un = 1500 Vcc, para capacitores eletrolíticos, a tensão a ser considerada é:

Em seguida, os seis capacitores de 450 V devem ser conectados em série. Se forem utilizados capacitores de filme, tensões de 600 Vcc a 2000 Vcc ou até mesmo 3000 Vcc podem ser facilmente alcançadas. Além disso, a energia liberada durante a descarga completa do capacitor gera uma descarga de curto-circuito entre os dois eletrodos, produzindo uma grande corrente de pico no capacitor do barramento CC, o que geralmente não é possível com 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 baixa (tipicamente abaixo de 10 mΩ e até mesmo inferior a 1 mΩ) e autoindutância LS (tipicamente abaixo de 100 nH e, em alguns casos, abaixo de 10 ou 20 nH). Isso permite que o capacitor de filme DC-Link seja instalado diretamente no módulo IGBT quando aplicado, permitindo que a barra de distribuição seja integrada ao capacitor de filme DC-Link, eliminando assim a necessidade de um capacitor absorvedor IGBT dedicado ao usar capacitores de filme, o que representa uma economia significativa para o projetista. As Figuras 2 e 3 mostram as especificações técnicas de alguns dos produtos C3A e C3B.

3. Conclusão

Nos primórdios, os capacitores do barramento CC eram, em sua maioria, capacitores eletrolíticos devido a considerações de custo e tamanho.

No entanto, os capacitores eletrolíticos são afetados pela capacidade de suportar tensão e corrente (ESR muito maior em comparação com os capacitores de filme), sendo necessário conectar vários capacitores eletrolíticos em série e em paralelo para obter alta capacidade e atender aos requisitos de uso em alta tensão. Além disso, considerando a volatilização do material eletrolítico, ele deve ser substituído regularmente. Aplicações de novas energias geralmente exigem uma vida útil de 15 anos, portanto, ele deve ser substituído de 2 a 3 vezes durante esse período. Consequentemente, há um custo considerável e inconvenientes no serviço pós-venda de toda a máquina. Com o desenvolvimento da tecnologia de revestimento por metalização e da tecnologia de capacitores de filme, tornou-se possível produzir capacitores de filtro CC de alta capacidade com tensão de 450 V a 1200 V ou até superior com filme OPP ultrafino (com espessura mínima de 2,7 µm, chegando a 2,4 µm) utilizando a tecnologia de vaporização de filme seguro. Por outro lado, a integração dos capacitores do barramento CC com a barra de distribuição torna o projeto do módulo inversor mais compacto e reduz significativamente a indutância parasita do circuito, otimizando-o.