Comprender las ventajas relativas de los condensadores electrolíticos y los condensadores de película

Los condensadores se pueden utilizar para proporcionar una importante energía de conducción (o retención) o para reducir la ondulación y el ruido en los circuitos de conversión de energía. La elección del tipo correcto de condensador puede tener un impacto profundo en el tamaño, el costo y el rendimiento generales del sistema. Este artículo discutirá las ventajas de los condensadores electrolíticos y de película en algunas aplicaciones comunes.

Condensadores de película y electrolíticos:

Los condensadores de película tienen una ESR baja, por lo que tienen buenas capacidades de manejo de corriente de ondulación, altos índices de sobretensión y rendimiento de autocuración. Son potentes para muchas tareas de regulación de energía en aplicaciones importantes como vehículos eléctricos, energía renovable y accionamientos industriales. competidor. Los condensadores de película son particularmente adecuados para ocasiones que no requieren mantenimiento (o funcionamiento), como cortes de energía o picos de fluctuaciones de frecuencia de línea, y es necesario proporcionar o absorber grandes corrientes onduladas de alta frecuencia bajo la premisa de alta confiabilidad y baja pérdida.

Los condensadores de película también son muy adecuados para aplicaciones que funcionan con voltajes de bus de CC altos para minimizar las pérdidas de resistencia. Dado que los condensadores electrolíticos de aluminio solo pueden proporcionar voltajes de hasta aproximadamente 550 V, las aplicaciones que funcionan a voltajes más altos requieren que varios dispositivos estén conectados en serie. Después de eso, es necesario seleccionar condensadores con valores coincidentes para evitar el desequilibrio de voltaje. Este método es caro y consume mucho tiempo; o aumentar la resistencia de equilibrio de voltaje, lo que aumentará la pérdida de energía adicional y el costo de la lista de materiales.

Por otro lado, cuando la densidad de almacenamiento de energía pura (Joule / cm3) es el principal parámetro de preocupación, los condensadores electrolíticos de aluminio siguen siendo una buena opción. Un ejemplo es la fuente de alimentación comercial fuera de línea, que requiere un almacenamiento de energía de gran capacidad rentable para mantener el voltaje de salida de CC en caso de un corte de energía, sin la necesidad de baterías de respaldo. Una reducción adecuada de la clasificación puede reducir la vida útil y los problemas de fiabilidad de los condensadores electrolíticos de aluminio.

Sin embargo, de hecho, los condensadores electrolíticos de aluminio solo pueden soportar una sobretensión de aproximadamente el 20%. Si hay una sobretensión más alta, se producirán daños, mientras que el condensador de película puede soportar una sobretensión de hasta aproximadamente el doble de la tensión nominal en poco tiempo. Como suele ocurrir en aplicaciones prácticas, las capacidades de autocuración garantizan una respuesta más segura a sobretensiones accidentales. Además, los condensadores de película pueden lograr una conexión e instalación más fáciles y, debido a que son productos no polarizados, no habrá errores de conexión inversa. Por lo general, están encerrados en una carcasa de "caja" rectangular aislada y muy eficiente, que se puede utilizar para diversas conexiones eléctricas, como terminales de tornillo, orejetas, fastons o barras colectoras.

La Tabla 1 compara las características de los tipos de condensadores de película usados comúnmente. Los poliésteres se pueden usar a bajos voltajes, mientras que el polipropileno generalmente exhibe la menor pérdida y la mayor confiabilidad bajo alta tensión debido a su bajo factor de disipación (DF) y alta capacidad de ruptura dieléctrica por unidad de espesor. El DF es relativamente estable y no varía mucho con la temperatura y la frecuencia. También se puede usar polipropileno metalizado altamente cristalino segmentado, y puede proporcionar una densidad de energía equivalente a los condensadores electrolíticos de aluminio.

Tabla 1: Tipos comunes de condensadores de película y sus características.

Elija el condensador adecuado:

Al analizar algunos circuitos de conversión de energía comunes, se puede mostrar cómo la elección de diferentes tecnologías de capacitores afectará profundamente el tamaño, el peso y el costo del sistema, y depende de si el capacitor debe usarse para almacenamiento de energía o procesamiento de ruido de ondulación. .

Por ejemplo, para un condensador de gran capacidad utilizado como convertidor fuera de línea de 1kW, la comparación de condensadores electrolíticos y condensadores de película puede ilustrar claramente la diferencia de características entre estos dos tipos de condensadores. Como se muestra en la Figura 1, el convertidor tiene un extremo frontal de corrección del factor de potencia y un voltaje de bus de CC nominal (Vn) de 400V.

Figura 1: Los condensadores se utilizan como almacenamiento de energía en caso de corte de energía.

Suponiendo que la eficiencia es del 90% y la caída de voltaje (Vd) es de 300 V, por debajo de este valor, se perderá la función de regulación de salida. En caso de un corte de energía, cuando el voltaje del bus cae de 400 V a 300 V, el condensador C1 de gran capacidad proporciona energía para mantener una potencia de salida constante. Podemos calcular el valor de C1 requerido para un recorrido de 20 ms antes de que el voltaje caiga por debajo de 300 V: 

Si solo se necesitan condensadores para controlar el voltaje de ondulación en líneas de CC, como los sistemas de energía de vehículos eléctricos, la selección de condensadores será significativamente diferente. El voltaje del bus puede ser de 400 V como antes, pero está alimentado por una batería, por lo que no hay necesidad de atravesarlo. Cuando el convertidor aguas abajo consume una corriente de pulso de 80Arms a una frecuencia de conmutación de 20kHz, es muy realista limitar la ondulación a menos de 4Vrms. 

Hay otras razones que hacen que los condensadores de película sean la mejor opción. La conexión en paralelo de múltiples condensadores electrolíticos conduce a una capacitancia excesiva, lo que puede causar problemas como el control de la energía en la sobrecorriente. Además, en aplicaciones de tracción de carga ligera, como vehículos eléctricos, la sobretensión transitoria de la conexión de CC es común y los condensadores de película funcionan de manera más robusta.

Un análisis similar también es adecuado para sistemas UPS, regulación de potencia de generadores eólicos o solares, inversores generales conectados a la red y máquinas de soldadura.

Como condensador de película preferido:

El costo relativo de los condensadores electrolíticos o de película se puede analizar desde la perspectiva del almacenamiento de gran capacidad o la capacidad de procesamiento de ondas. Como se muestra en los resultados resumidos en la Tabla 2, los datos 1 publicados en 2013 comparan el costo típico de un bus de CC alimentado por una fuente de alimentación rectificada de 440 VCA:

Tabla 2: Comparación de costos de película y condensadores electrolíticos.

Teniendo en cuenta el análisis anterior, los condensadores de película son una excelente opción para aplicaciones de filtrado como desacoplamiento, búfer de conmutación y supresión de EMI o salida de inversor.

El condensador de desacoplamiento configurado en el bus de CC del inversor o convertidor proporciona una ruta de baja inductancia para la circulación de corriente de alta frecuencia. La regla general es usar un capacitor de aproximadamente 1μF por cada interruptor de 100A. Vale la pena señalar que la conexión al capacitor debe ser lo más corta posible para evitar voltaje transitorio. Cuando la corriente es grande y la frecuencia es alta, es posible el rango de cambio de 1000 A / μs. Considerando que la traza de PCB puede tener una inductancia de aproximadamente 1nH / mm, de acuerdo con la siguiente ecuación, se puede generar una tensión transitoria de 1V por milímetro:

En el circuito del amortiguador del interruptor, se conecta un capacitor en serie con una combinación de resistencia / diodo y se conecta a través de un interruptor de encendido (generalmente un IGBT o MOSFET) para controlar dV / dt, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Cambiar búfer de IGBT o MOSFET.

Los condensadores amortiguadores pueden reducir el timbre, controlar las interferencias electromagnéticas y evitar un encendido / apagado falso. El tamaño del condensador amortiguador generalmente se selecciona para que sea aproximadamente el doble de la suma del condensador de salida del interruptor y el condensador de montaje, y el valor de resistencia se selecciona para evitar todos los timbres como estándar.

Supresión de EMI:

Como se muestra en la Figura 3, los capacitores de película usan sus capacidades de recuperación automática y sobrevoltaje transitorio, y también se pueden usar idealmente como capacitores de tipo X e Y para reducir el modo diferencial y el ruido de modo común, respectivamente. Los capacitores de nivel de seguridad X1 (4kV) o X2 (2.5kV) se conectan a través del cable de alimentación, generalmente de tipo polipropileno, y el valor de capacitancia suele ser de varios μF, que debe cumplir con los estándares EMC aplicables.

Los condensadores de tipo Y con baja inductancia de conexión están ubicados donde la línea de entrada está conectada a tierra. Aquí, el voltaje transitorio nominal del capacitor Y1 o Y2 es de 8kV y 5kV, respectivamente, y la línea de entrada está conectada a tierra como se muestra en la figura. Las consideraciones sobre la corriente de fuga limitan la capacitancia que se puede aplicar. Aunque la baja inductancia de conexión del condensador de película ayuda a mantener una alta autorresonancia, el sistema de puesta a tierra externo debe mantenerse corto.

Figura 3: Condensadores de tipo X e Y para supresión de EMI. A

Filtrado de salida del inversor:

Los condensadores de película no polarizados y los inductores en serie se pueden integrar generalmente en un solo módulo, que puede formar un filtro de paso bajo para atenuar los armónicos de alta frecuencia en la salida de CA del variador y el inversor (Figura 4). Estos se utilizan cada vez más para cumplir con los requisitos de EMC del sistema y reducir la tensión relacionada con dV / dt en cables y motores, especialmente cuando la carga está lejos de la unidad de accionamiento.

Figura 4: Condensadores de película en el filtrado EMC del variador de velocidad.

En conclusión:

Para las aplicaciones de conversión de energía, comprender las ventajas relativas de los capacitores electrolíticos y los capacitores de película puede ayudar a los diseñadores a tomar la decisión correcta para lograr el mejor tamaño, peso y costo general de la lista de materiales. Se puede resumir brevemente como sigue:

1. Condensador electrolítico:

Tiene una mayor densidad de almacenamiento de energía (Joule / cm3);

Bajo costo cuando se usa para capacitores "directos" de gran capacidad para voltaje de bus de CC;

Mantener la corriente nominal de ondulación a temperaturas más altas;

2. Condensador de película:

Una ESR baja puede lograr un excelente procesamiento de ondulación;

Mayor índice de sobretensión;

La autorreparación mejora la confiabilidad y la vida útil del sistema;