Non lasciate che il condensatore DC-Link sia l'anello debole del convertitore di potenza | DigiKey

I condensatori DC-Link a corrente continua (c.c.) sono dei componenti cruciali in molte applicazioni, compresi gli inverter trifase per i comandi dei motori di veicoli elettrici (EV), gli inverter fotovoltaici ed eolici, i comandi dei motori industriali, i caricatori su scheda automotive e gli alimentatori per apparecchiature medicali o industriali. È importante tenersi al passo con gli sviluppi più recenti. Se non implementati correttamente, i condensatori DC-Link possono essere un "anello debole" che riduce la densità di energia e l'affidabilità.

Purtroppo per i progettisti, a differenza della tecnologia dei semiconduttori che sta facendo rapidi progressi, la tecnologia dei condensatori si sviluppa lentamente e potrebbe venire trascurata. La sfida è resa più complessa anche dal fatto che le varie tecnologie dei condensatori stanno procedendo a ritmi diversi: quella degli elettrolitici in alluminio è più matura e si sta evolvendo lentamente, mentre per i condensatori a film e per quelli ceramici multistrato (MLCC) i progressi sono più rapidi. I condensatori elettrolitici in alluminio offrono in genere una maggiore capacità per unità di volume e densità di energia più elevate rispetto ai condensatori a film e agli MLCC, ma i compromessi non sono fissi.

Ad esempio, l'aggiornamento degli interruttori di alimentazione con dispositivi a più alta frequenza - come la sostituzione degli IGBT con i MOSFET o la sostituzione dei dispositivi al silicio con interruttori di alimentazione ad ampia banda proibita (WBG) - può essere una buona occasione per riconsiderare le scelte passate per i condensatori DC-Link. Ogni tecnologia di condensatori DC-Link offre una serie specifica di capacità (Figura 1).

Figura 1: Confronto tra condensatori DC-Link che mostra la tensione e la capacità per le principali tecnologie I condensatori CeraLink di TDK sono degli MLCC ottimizzati per applicazioni DC-Link. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

Gli elettrolitici in alluminio sono i condensatori DC-Link più comuni. Offrono una combinazione di alta densità di energia e basso costo. Sono utilizzati spesso per comandi di motori industriali, gruppi di continuità (UPS) e per diverse applicazioni consumer, commerciali e industriali. Tuttavia, la loro durata di vita relativamente breve e il funzionamento a bassa frequenza possono indurre a escluderli per le applicazioni più esigenti.

I condensatori a film si trovano spesso come elemento DC-Link in applicazioni più esigenti come i motori a trazione EV. I condensatori a film sono più affidabili, possono condurre una corrente elevata, hanno una resistenza equivalente in serie (ESR) più bassa e possono essere usati a frequenze più alte rispetto alle controparti elettrolitiche. Ma, come gli elettrolitici, hanno temperature di funzionamento relativamente basse, circa 105 °C.

Una terza possibilità è rappresentata dagli MLCC. Questi condensatori hanno una corrente nominale con un valore quadratico medio (rms) superiore e possono resistere a temperature più elevate rispetto ad altri condensatori. Il rovescio della medaglia è che, per ottenere una determinata densità di energia, potrebbero servire molti MLCC, il che complica la realizzazione di un layout che assicuri una distribuzione uniforme della corrente. Inoltre, gli MLCC potrebbero dare problemi di affidabilità. Il materiale dielettrico ceramico è rigido e può incrinarsi per via delle sollecitazioni meccaniche o termiche, creando un cortocircuito tra i terminali.

È evidente che non esiste una tecnologia dei condensatori "perfetta" per tutte le applicazioni DC-Link. Per arrivare alla soluzione di progettazione migliore per un determinato progetto, occorre guardare agli ultimi progressi tecnologici e agli sviluppi dei prodotti. Vediamo quindi alcuni dei compromessi e delle capacità di tipi di dispositivi rappresentativi, compresi quelli elettrolitici in alluminio di Cornell Dubilier Electronics, quelli a film di KEMET e gli MLCC di TDK Corporation.

Elettrolitici per progetti ad alto ripple

Per applicazioni con correnti di ripple elevate, si può usare la serie 381LR di Cornell Dubilier Electronics, che ha una capacità nominale tra 200 e 450 V c.c. e tra 56 e 2.200 µF e che è in grado di gestire almeno il 25% in più di corrente di ripple rispetto agli elettrolitici inseribili a scatto standard a 105 °C (Figura 2). I recenti progressi nelle formulazioni dell'elettrolita sono la chiave per la bassa ESR che conferisce a questi condensatori la loro capacità di corrente di ripple. Ciò significa che nei comandi di motori, nei gruppi di continuità (UPS) e in altre applicazioni ad alta corrente di ripple serve un numero inferiore di condensatori.

Figura 2: I condensatori elettrolitici in alluminio 381LR hanno una capacità nominale da 200 a 450 volt c.c. e da 56 a 2.200 µF (Immagine per gentile concessione di: Jeff Shepard, basata sul materiale di Cornell Dubilier Electronics)

Condensatori a film per motori a trazione automotive

Se progettate sistemi per ambienti difficili come i motori a trazione automotive, i condensatori DC-Link a film C4AK di KEMET, con una vita utile di 4000 ore a 125 °C e di 1000 ore a 135 °C, sono una valida opzione (Figura 3). Studiati per le progettazioni di sistemi compatti, questi dispositivi hanno un formato a scatola radiale per il montaggio su scheda a profilo ribassato e permettono di usare un minor numero di condensatori in parallelo per gestire le correnti di picco e di ripple.

Figura 3: La serie di condensatori a fil C4AK DC-Link di KEMET ha una vita utile di 4000 ore a 125 °C e di 1000 ore a 135 °C (Immagine per gentile concessione di KEMET)

I condensatori DC C4AK sono progettati per l'uso in convertitori di potenza di sistemi EV ad alta frequenza e alta corrente, inverter fotovoltaici e a celle di combustibile, sistemi di immagazzinaggio dell'energia, trasferimento wireless dell'energia elettrica e in altre applicazioni industriali.

MLCC per semiconduttori WBG veloci

Quando si usano WBG, la famiglia CeraLink FA (Flex Assembly) di TDK Corporation può essere una soluzione appropriata. La famiglia include valori di capacità da 0,25 µF fino a 10 µF e tensioni nominali tra 500 e 900 volt c.c. Ad esempio, B58035U9255M001 ha una capacità nominale di 2,5 µF e 900 V (Figura 4). I vari dispositivi della famiglia CeraLink sono ottimizzati per l'uso come condensatori DC-Link, con caratteristiche che includono:

• Densità di capacità tra 2 e 5 µF per centimetro cubo (cm³)
• Bassa induttanza propria da 2,5 a 4 nH
• Possibilità di posizionarli molto vicino al dispositivo di alimentazione a semiconduttore con funzionamento fino a 150 °C (per un tempo limitato)
• Nessuna limitazione sulla velocità di variazione della tensione (dV/dt)

Figura 4: B58035U9255M001 fa parte della famiglia CeraLink FA di TDK Corporation, uno stack di MLCC a 2,5 µF, 900 V (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

I condensatori della famiglia FA sono larghi 9,1 mm e alti 7,4 mm e sono disponibili in lunghezze di 6,3 mm, 9,3 mm e 30,3 mm. Hanno una capacità di corrente di ripple fino a 47 A rms.

Conclusione

La specifica di un condensatore DC-Link è una parte importante della progettazione di convertitori di potenza. Come spiegato, esistono moltissime opzioni, soggette a cambiamenti. Scegliendo l'opzione sbagliata, il convertitore di potenza potrebbe non soddisfare le aspettative oppure potrebbe essere troppo costoso. Per evitare errori, è necessario tenersi aggiornati sugli ultimi sviluppi delle tecnologie e dei prodotti dei condensatori DC-Link.