Cette semaine, nous allons analyser l'utilisation de condensateurs à film à la place des condensateurs électrolytiques dans les condensateurs de bus DC. Cet article sera divisé en deux parties.

Avec le développement des énergies nouvelles, la technologie du courant variable est de plus en plus utilisée, et les condensateurs de liaison CC sont des composants clés dont le choix est primordial. Dans les filtres CC, ces condensateurs requièrent généralement une capacité élevée, une capacité de traitement de courant et de tension élevées, etc. En comparant les caractéristiques des condensateurs à film et des condensateurs électrolytiques et en analysant leurs applications respectives, cet article conclut que, dans les circuits exigeant une tension de fonctionnement élevée, un courant d'ondulation important (Irms), une résistance aux surtensions, une protection contre l'inversion de tension, un courant d'appel élevé (dV/dt) et une longue durée de vie, les condensateurs à film sont privilégiés. Grâce aux progrès des technologies de dépôt de vapeur métallisé et de condensateurs à film, ces derniers deviendront à l'avenir la solution de choix pour les concepteurs, remplaçant les condensateurs électrolytiques pour leurs performances et leur coût.

Avec l'introduction de nouvelles politiques énergétiques et le développement de l'industrie des énergies nouvelles dans divers pays, les industries connexes ont bénéficié de nouvelles opportunités. Les condensateurs, en tant que produits essentiels en amont, ont également profité de ces nouvelles perspectives. Dans les systèmes d'énergies nouvelles et les véhicules à énergies nouvelles, les condensateurs sont des composants clés pour la gestion de l'énergie, les onduleurs et les systèmes de conversion CC-CA, et leur rôle est déterminant pour la durée de vie du convertisseur. Or, dans un onduleur, l'alimentation CC est utilisée comme source d'énergie et est connectée via un bus CC, appelé liaison CC ou support CC. L'onduleur recevant des courants d'impulsion RMS et de crête élevés du bus CC, il en résulte une tension d'impulsion élevée sur ce dernier, susceptible de le mettre à rude épreuve. Le condensateur de la liaison CC est donc nécessaire pour absorber ces courants d'impulsion élevés et maintenir les fluctuations de tension de l'onduleur dans une plage acceptable. Il protège également l'onduleur des surtensions et des pics de tension transitoires sur la liaison CC.

Les schémas de l'utilisation des condensateurs DC-Link dans les systèmes d'entraînement des moteurs de véhicules à énergies nouvelles (y compris la production d'énergie éolienne et photovoltaïque) et des véhicules à énergies nouvelles sont présentés dans les figures 1 et 2.

La figure 1 illustre la topologie du circuit de conversion d'énergie éolienne, où C1 représente le bus DC (généralement intégré au module), C2 l'absorption IGBT, C3 le filtrage LC (côté réseau) et C4 le filtrage DV/DT côté rotor. La figure 2 présente la technologie du circuit de conversion d'énergie photovoltaïque, où C1 représente le filtrage DC, C2 le filtrage EMI, C4 le bus DC, C6 le filtrage LC (côté réseau), C3 le filtrage DC et C5 l'absorption IPM/IGBT. La figure 3 illustre le système d'entraînement du moteur principal du véhicule à énergies nouvelles, où C3 représente le bus DC et C4 le condensateur d'absorption IGBT.

Dans les applications des énergies nouvelles mentionnées ci-dessus, les condensateurs de liaison CC, composants essentiels, doivent garantir une fiabilité élevée et une longue durée de vie dans les systèmes de production d'énergie éolienne, photovoltaïque et pour véhicules à énergies nouvelles ; leur sélection est donc primordiale. On trouvera ci-après une comparaison des caractéristiques des condensateurs à film et des condensateurs électrolytiques, ainsi qu'une analyse de leur application aux condensateurs de liaison CC.

1. Comparaison des fonctionnalités

1.1 Condensateurs à film

Le principe de la métallisation par film mince est d'abord présenté : une couche de métal suffisamment mince est vaporisée à la surface du support en film mince. En présence d'un défaut dans le support, la couche s'évapore et isole ainsi la zone défectueuse pour la protéger ; ce phénomène est appelé auto-réparation.

La figure 4 illustre le principe du revêtement par métallisation. Le support en couche mince est prétraité (par un procédé de couronnement ou autre) avant vaporisation afin de permettre l'adhérence des molécules métalliques. Le métal est vaporisé par dissolution à haute température sous vide (1400 °C à 1600 °C pour l'aluminium et 400 °C à 600 °C pour le zinc). La vapeur métallique se condense ensuite à la surface de la couche refroidie (température de refroidissement de -25 °C à -35 °C), formant ainsi un revêtement métallique. Le développement de la technologie de métallisation a permis d'améliorer la rigidité diélectrique de la couche par unité d'épaisseur. Les condensateurs destinés aux applications impulsionnelles ou de décharge, utilisant la technologie sèche, peuvent atteindre 500 V/µm, tandis que ceux destinés aux filtres CC peuvent atteindre 250 V/µm. Les condensateurs de liaison CC appartiennent à cette dernière catégorie et, conformément à la norme IEC 61071, les condensateurs pour applications en électronique de puissance peuvent supporter des chocs de tension plus importants, jusqu'à deux fois leur tension nominale.

Par conséquent, l'utilisateur n'a qu'à prendre en compte la tension de fonctionnement nominale requise pour son application. Les condensateurs à film métallisé présentent une faible résistance série équivalente (ESR), ce qui leur permet de supporter des courants d'ondulation plus importants ; leur faible inductance (ESL) répond aux exigences de conception à faible inductance des onduleurs et réduit les oscillations aux fréquences de commutation.

La qualité du film diélectrique, celle du revêtement métallisé, la conception du condensateur et le procédé de fabrication déterminent les propriétés d'auto-réparation des condensateurs métallisés. Le film diélectrique utilisé pour la fabrication des condensateurs DC-Link est principalement un film OPP.

Le contenu du chapitre 1.2 sera publié dans l'article de la semaine prochaine.