La diversité des types de condensateurs n’a pas beaucoup changé ces dernières années, mais les applications ont certainement changé. Dans cet article, nous examinons comment les condensateurs sont utilisés en électronique de puissance et comparons les technologies disponibles. Condensateurs à film montrent leurs avantages dans les applications à venir telles que véhicules électriques , conversion d’énergie alternative, et onduleurs dans les variateurs . Cependant, les produits électrolytiques à l’aluminium (Al) restent importants lorsque la densité de stockage d’énergie est la principale exigence.
Condensateur électrolytique ou à film ?
Il est facile de rejeter Al électrolytique comme la technologie d’hier, mais la différence de performances entre eux et l’alternative cinématographique n’est pas toujours aussi claire. En termes de densité d'énergie stockée, c'est-à-dire en joules/centimètre cubes, ils sont toujours en avance sur les condensateurs à film standard, bien que des variantes exotiques telles que les condensateurs segmentés à haute cristallinité polypropylène métallisé sont comparables. De plus, les électrolytiques Al maintiennent mieux leur intensité nominale de courant d'ondulation à des températures plus élevées que les condensateurs à film concurrents. Même les problèmes perçus en matière de durée de vie et de fiabilité ne sont pas si importants lorsque les électrolytiques en aluminium sont correctement déclassés. Les produits électrolytiques restent très intéressants là où le maintien d'une tension de bus CC en cas de panne de courant est nécessaire sans batterie de secours. Par exemple, lorsque le coût est un facteur déterminant, il est particulièrement difficile d’anticiper que les condensateurs à film prendront le pas sur les condensateurs en vrac dans les alimentations hors ligne de base.
Le film gagne à bien des égards
Les condensateurs à film présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux autres condensateurs : les valeurs nominales de résistance série équivalente (ESR) peuvent être considérablement inférieures, ce qui conduit à une bien meilleure gestion du courant d'ondulation. Les valeurs nominales de surtension sont également supérieures et, peut-être le plus important, les condensateurs à film peuvent s'auto-réparer.
FIGURE 1 Les caractéristiques du film de condensateur.
FIGURE 2 La variation du DF avec la température pour le film polypropylène.
Après stress, conduisant à une meilleure fiabilité et durée de vie du système. Cependant, la capacité d’auto-guérison dépend du niveau de stress, des valeurs maximales et du taux de répétition. De plus, une éventuelle défaillance catastrophique est toujours possible en raison des dépôts de carbone et des dommages collatéraux causés par l'arc plasma généré lors de la résolution des défauts. Ces caractéristiques correspondent aux applications modernes de conversion de puissance dans les véhicules électriques et les systèmes d'énergie alternative où aucun retard n'est requis en cas de pannes ou entre les pics d'ondulation de fréquence de ligne. La principale exigence est la capacité à générer et à absorber des courants ondulatoires haute fréquence pouvant atteindre des centaines, voire des milliers d'ampères, tout en maintenant des pertes tolérables et une fiabilité élevée. Il existe également une tendance vers des tensions de bus plus élevées afin de réduire les pertes ohmiques à des niveaux de puissance donnés. Cela signifierait une connexion en série d'électrolytiques Al avec leur tension nominale maximale inhérente d'environ 550 V. Pour éviter un déséquilibre de tension, il peut être nécessaire de choisir des condensateurs coûteux avec des valeurs adaptées et d'utiliser des résistances d'équilibrage de tension avec leurs pertes et leur coût associés.
Le problème de fiabilité n'est pas simple, même si, dans des conditions contrôlées, les produits électrolytiques sont comparables aux films de puissance, ce qui signifie qu'ils ne résistent généralement qu'à 20 % des surtensions avant que des dommages ne surviennent. En revanche, les condensateurs à film peuvent résister à 100 % des surtensions pendant des périodes limitées. En cas de panne, les produits électrolytiques peuvent court-circuiter et exploser, détruisant toute une banque de composants série/parallèle avec une décharge électrolytique dangereuse. Les condensateurs à film peuvent également s'auto-réparer, mais la fiabilité du système dans des conditions authentiques de contraintes occasionnelles peut être très différente entre les deux types. Comme pour tous les composants, des niveaux d’humidité élevés peuvent dégrader les performances des condensateurs à film et, pour une fiabilité optimale, cela doit être bien contrôlé. Un autre différenciateur pratique est la facilité de montage des condensateurs à film : ils sont disponibles dans des boîtiers rectangulaires isolés et volumétriquement efficaces avec une variété d'options de connexion électrique, des bornes à vis aux cosses, fastons et barres omnibus, par rapport aux boîtes métalliques rondes typiques de électrolytiques. Le film diélectrique non polaire permet un montage anti-inversion et permet une utilisation dans les applications où le courant alternatif est appliqué, comme dans le filtrage de sortie d'onduleur.
Bien entendu, il existe de nombreux types diélectriques de condensateurs à film, et la figure 1 donne un résumé de leurs performances comparatives [1]. Le film de polypropylène est le grand gagnant lorsque les pertes et la fiabilité sous contrainte sont les principales considérations en raison de son faible DF et de son claquage diélectrique élevé par unité d'épaisseur. Les autres films peuvent être meilleurs en termes de température et de capacité/volume, avec des constantes diélectriques plus élevées et une disponibilité de film plus mince, et, à basse tension, le polyester est toujours couramment utilisé. Le DF est particulièrement important et défini comme ESR/réactance capacitive, et il est généralement spécifié à 1 kHz et 25 °C. Un DF faible par rapport à d'autres diélectriques implique un échauffement plus faible et constitue un moyen de comparer les pertes par microfarad. Le DF varie légèrement en fonction de la fréquence et de la température, mais le polypropylène est plus performant. Les figures 2 et 3 montrent les parcelles typiques.
Il existe deux principaux types de constructions de condensateurs à film qui utilisent une feuille et une métallisation déposée, comme le montre la figure 4. Une feuille métallique d'environ 5 nm d'épaisseur est généralement utilisée entre les couches diélectriques pour sa capacité élevée de courant de crête, mais elle ne s'auto-alimente pas. -guérir après avoir enduré un stress. Le film métallisé est formé sous vide et en déposant généralement de l'Al à 1 200 ° C sur le film sur une épaisseur d'environ 20 à 50 nm, la température du film étant comprise entre -25 et -35 °C.
FIGURE 3 La variation du DF avec la fréquence pour le film polypropylène.
FIGURE 4 La construction du condensateur à film
bien que des alliages de zinc (Zn) et d'Al-Zn puissent également être utilisés. Ce processus permet l'auto-guérison, où des pannes en tout point du diélectrique provoquent un échauffement intense localisé, peut-être jusqu'à 6 000 °C, provoquant la formation d'un plasma. La métallisation autour du canal de claquage est vaporisée, l'expansion rapide du plasma éteignant la décharge, ce qui isole le défaut et laisse le condensateur pleinement fonctionnel. La réduction de capacité est minime mais additive dans le temps, ce qui en fait un indicateur utile du vieillissement du composant.
Une méthode courante pour améliorer davantage la fiabilité consiste à segmenter la métallisation du film en zones, peut-être en millions, avec des portes étroites alimentant le courant dans les segments et agissant comme des fusibles pour les surcharges importantes. Le rétrécissement du trajet total du courant vers la métallisation réduit effectivement la gestion du courant de crête du composant, mais la marge de sécurité supplémentaire introduite permet au condensateur d'être utilement évalué à des tensions plus élevées.
Le polypropylène moderne a une rigidité diélectrique d'environ 650 V/µm et est disponible dans des épaisseurs d'environ 1,9 µm et plus, de sorte que des tensions nominales de condensateur allant jusqu'à plusieurs kilovolts sont régulièrement réalisables, certaines pièces étant même évaluées à 100 kV. Cependant, à des tensions plus élevées, le phénomène de décharge partielle (PD), également appelé décharge corona, devient un facteur. La PD est le claquage à haute tension de microvides dans la masse du matériau ou dans les entrefers entre les couches de matériau, provoquant un court-circuit partiel du trajet isolant total. La PD (décharge corona) laisse une légère trace de carbone ; l'effet initial est imperceptible mais peut s'accumuler avec le temps jusqu'à ce qu'une rupture brutale et brutale de l'isolation affaiblie et traces de carbone se produise. L'effet est décrit par la courbe de Paschen, illustrée à la figure 5, et présente une tension d'initiation et d'extinction caractéristique. La figure montre deux exemples d'intensités de champ. Les points au-dessus de la courbe de Paschen, A, sont susceptibles de produire une rupture de PD.
FIGURE 5 La courbe de Paschen et des exemples d'intensités de champ électrique.
Pour contrer cet effet, les condensateurs à très haute tension sont imprégnés d'huile pour exclure l'air des interfaces des couches. Les types à basse tension ont tendance à être remplis de résine, ce qui contribue également à la robustesse mécanique. Une autre solution consiste à former des condensateurs en série dans des boîtiers uniques, réduisant ainsi efficacement la chute de tension aux bornes de chacun bien en dessous de la tension d'initialisation. La PD est un effet dû à l'intensité du champ électrique, donc augmenter l'épaisseur diélectrique pour diminuer le gradient de tension est toujours possible mais augmente la taille globale du condensateur. Il existe des conceptions de condensateurs qui combinent des feuilles et une métallisation pour offrir un compromis entre la capacité de courant de crête et l'auto-guérison. La métallisation peut également être graduelle à partir du bord du condensateur de sorte qu'un matériau plus épais sur les bords permette une meilleure gestion du courant et une terminaison plus robuste par brasage ou soudage, et la gradation peut être continue ou échelonnée.
Il est peut-être utile de prendre du recul et d’observer à quel point l’utilisation de condensateurs électrolytiques en aluminium est avantageuse. Un exemple est celui d'un convertisseur hors ligne de 1 kW, efficace à 90 %, avec un frontal corrigé du facteur de puissance, nécessitant un trajet de 20 ms, comme le montre la figure 6. Il aura généralement un bus CC interne avec une tension nominale, Vn, de 400 V et une tension de chute, Vd, de 300 V, en dessous de laquelle la régulation de sortie est perdue.
Le condensateur de masse C1 fournit de l'énergie pour maintenir une puissance de sortie constante pendant la durée de passage spécifiée lorsque la tension du bus chute de 400 à 300 V après une panne. Mathématiquement, Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) ou C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF à 450 V nominal.
Si Condensateurs électrolytiques Al sont utilisés, alors l'équation donne un volume requis d'environ 52 cm3 (c'est-à-dire 3 sur 3 ), par exemple, si le TDK-EPCOS La série B43508 est utilisée. En revanche, les condensateurs à film seraient d'une taille peu pratique, nécessitant peut-être 15 en parallèle pour un volume total de 1 500 cm3 (soit 91 en 3 ) si la série TDK-EPCOS B32678 est utilisée. La différence est évidente, mais le choix changerait si le condensateur devait contrôler la tension d'ondulation sur une ligne continue. Prenons un exemple similaire où la tension du bus de 400 V provient d'une batterie, le maintien n'est donc pas nécessaire. Cependant, il est nécessaire de réduire l'effet d'entraînement à, par exemple, une valeur efficace de 4 V à partir d'impulsions de courant haute fréquence de 80 A efficaces prises par un convertisseur en aval à 20 kHz. Il pourrait s'agir d'une application de véhicule électrique, et la capacité requise peut être approximative de C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF à 450 V.
FIGURE 6 Le condensateur pour un tour à travers (attendez). HVDC : courant continu haute tension.
Un électrolytique à 180 µF, 450 V peut avoir un courant d'ondulation nominal d'environ 3,5 A seulement à 60 °C, y compris la correction de fréquence (série EPCOS B43508). Ainsi, pour 80 A, 23 condensateurs seraient nécessaires en parallèle, produisant 4 140 µF inutiles avec un volume total de 1 200 cm3 (soit 73 en 3 ). Ceci est conforme à la valeur nominale de courant d'ondulation de 20 mA/µF parfois citée pour les produits électrolytiques. Si l'on considère les condensateurs à film, il n'y en a plus que quatre en parallèle à partir du EPCOS B32678 Les séries donnent un courant d'ondulation nominal de 132 A efficaces dans un volume de 402 cm3 (soit 24,5 po 3). Si la température est limitée, par exemple, à moins de 70 ° C ambiants, une taille de boîtier plus petite peut toujours être choisie. Même si nous choisissons l'électrolyse pour d'autres raisons, l'excès de capacité pourrait causer d'autres problèmes, comme le contrôle de l'énergie du courant d'appel. Bien entendu, si des surtensions transitoires pouvaient survenir, les condensateurs à film seraient alors beaucoup plus robustes dans l'application. Un exemple de ceci serait la traction légère, où une connexion intermittente à une caténaire provoque une surtension sur la connexion du lien CC.
Cet exemple est typique de nombreux environnements actuels, tels que les systèmes d'alimentation électrique sans interruption, l'énergie éolienne et solaire, le soudage et les onduleurs connectés au réseau. Les différences de coûts entre les films et les électrolytiques à l'aluminium peuvent être résumées dans les chiffres publiés en 2013 [2]. Les coûts typiques d'un bus CC à partir de 440 V CA redressés peuvent être trouvés dans le tableau 1.
D'autres applications concernent le découplage et circuits d'amortissement dans des convertisseurs ou des onduleurs. Ici, la construction film/feuille doit être utilisée si la taille le permet, car les types métallisés nécessitent des étapes de conception et de fabrication spéciales. En guise de découplage, le condensateur est placé sur le bus CC pour fournir un chemin à faible inductance pour faire circuler des courants haute fréquence, généralement 1 µF pour 100 A commutés. Sans le condensateur, le courant circule dans des boucles d'inductance plus élevée, provoquant des tensions transitoires (Vtr) selon ce qui suit : Vtr = -Ldi/dt.
Avec des variations de courant de 1 000 A/µs étant possibles, quelques nanohenrys d'inductance peuvent produire des tensions significatives. Les traces de circuits imprimés peuvent avoir une inductance de l'ordre de 1 nH/mm, fournissant donc environ 1 Vtr/mm dans cette situation. Il est donc important que les connexions soient les plus courtes possible. Pour contrôler dV/dt entre les commutateurs, le condensateur et un réseau de résistances/diodes sont placés en parallèle avec un IGBT ou MOSFET (Figure 7).
Cela ralentit la sonnerie, contrôle les interférences électromagnétiques (EMI) et empêche les commutations parasites dues à une forte
FIGURE 7 Le switch snobe. FIGURE 8 Les condensateurs à film comme suppression EMI. FIGURE 9 Les condensateurs à film dans le filtrage CEM des entraînements moteurs.
dV/dt, en particulier dans les IGBT. Un point de départ consiste souvent à faire en sorte que la capacité d'amortissement soit environ deux fois supérieure à la somme de la capacité de sortie du commutateur et de la capacité de montage, et la résistance est ensuite choisie pour amortir de manière critique toute sonnerie. Des approches de conception plus optimales ont été formulées.
Les condensateurs en polypropylène de sécurité sont souvent utilisés sur les lignes électriques pour réduire les interférences électromagnétiques en mode différentiel (Figure 8). Leur capacité à résister aux surtensions transitoires et à s’auto-réparer est cruciale. Les condensateurs dans ces positions sont classés X1 ou X2, qui peuvent respectivement supporter des transitoires de 4 et 2,5 kV. Les valeurs utilisées sont souvent en microfarads pour garantir la conformité aux normes typiques de compatibilité électromagnétique (CEM) à des niveaux de puissance élevés. Les condensateurs à film de type Y peuvent également être utilisés dans des positions ligne-terre pour atténuer le bruit de mode commun où la valeur de capacité est limitée en raison de considérations de courant de fuite (Figure 8). Les versions Y1 et Y2 sont disponibles respectivement pour les valeurs transitoires de 8 et 5 kV. Faibles inductances de connexion des condensateurs à film aident également à maintenir les auto-résonances élevées.
Une application croissante des condensateurs non polarisés consiste à former des filtres passe-bas avec des inductances en série pour atténuer les harmoniques haute fréquence dans la sortie CA des variateurs et des onduleurs (Figure 9). Les condensateurs en polypropylène sont souvent utilisés pour leur fiabilité, leur courant d'ondulation élevé et leur bonne efficacité volumétrique dans l'application, et les inductances et les condensateurs sont souvent regroupés dans un seul module. Les charges telles que les moteurs sont souvent éloignées de l'unité d'entraînement, et des filtres sont utilisés pour permettre aux systèmes de répondre aux exigences CEM et de réduire les contraintes sur le câblage et les moteurs dues à des niveaux dV/dt excessifs.
