Cette semaine, nous continuons avec l'article de la semaine dernière.

1.2 Condensateurs électrolytiques

Le diélectrique utilisé dans les condensateurs électrolytiques est de l'oxyde d'aluminium formé par corrosion de l'aluminium, avec une constante diélectrique de 8 à 8,5 et une rigidité diélectrique de travail d'environ 0,07 V/A (1 µm=10 000 A).Il n’est cependant pas possible d’atteindre une telle épaisseur.L'épaisseur de la couche d'aluminium réduit le facteur de capacité (capacité spécifique) des condensateurs électrolytiques car la feuille d'aluminium doit être gravée pour former un film d'oxyde d'aluminium afin d'obtenir de bonnes caractéristiques de stockage d'énergie, et la surface formera de nombreuses surfaces inégales.En revanche, la résistivité de l'électrolyte est de 150Ωcm pour la basse tension et de 5kΩcm pour la haute tension (500V).La résistivité plus élevée de l'électrolyte limite le courant efficace que le condensateur électrolytique peut supporter, généralement à 20 mA/µF.

Pour ces raisons, les condensateurs électrolytiques sont conçus pour une tension maximale de 450 V typique (certains fabricants conçoivent pour 600 V).Par conséquent, pour obtenir des tensions plus élevées, il est nécessaire de les obtenir en connectant des condensateurs en série.Cependant, en raison de la différence de résistance d'isolement de chaque condensateur électrolytique, une résistance doit être connectée à chaque condensateur afin d'équilibrer la tension de chaque condensateur connecté en série.De plus, les condensateurs électrolytiques sont des dispositifs polarisés et lorsque la tension inverse appliquée dépasse 1,5 fois Un, une réaction électrochimique se produit.Lorsque la tension inverse appliquée est suffisamment longue, le condensateur se répandra.Afin d'éviter ce phénomène, une diode doit être connectée à côté de chaque condensateur lors de son utilisation.En outre, la résistance aux surtensions des condensateurs électrolytiques est généralement de 1,15 fois Un, et les bons peuvent atteindre 1,2 fois Un.Les concepteurs doivent donc prendre en compte non seulement la tension de fonctionnement en régime permanent, mais également la surtension lors de leur utilisation.En résumé, le tableau de comparaison suivant entre les condensateurs à film et les condensateurs électrolytiques peut être établi, voir Fig.1.

2. Analyse des applications

Les condensateurs DC-Link en tant que filtres nécessitent des conceptions à courant élevé et à haute capacité.Un exemple est le système d'entraînement du moteur principal d'un véhicule à énergie nouvelle, comme mentionné sur la figure 3.Dans cette application, le condensateur joue un rôle de découplage et le circuit présente un courant de fonctionnement élevé.Le condensateur film DC-Link présente l'avantage de pouvoir supporter des courants de fonctionnement (Irms) importants.Prenons comme exemple les paramètres d'un véhicule à énergie nouvelle de 50 à 60 kW, les paramètres sont les suivants : tension de fonctionnement 330 Vdc, tension d'ondulation 10Vrms, courant d'ondulation 150Arms@10KHz.

La capacité électrique minimale est alors calculée comme suit :

Ceci est facile à mettre en œuvre pour la conception de condensateurs à film.En supposant que des condensateurs électrolytiques soient utilisés, si 20 mA/μF est pris en compte, la capacité minimale des condensateurs électrolytiques est calculée pour répondre aux paramètres ci-dessus comme suit :

Cela nécessite plusieurs condensateurs électrolytiques connectés en parallèle pour obtenir cette capacité.

Dans les applications de surtension, telles que les trains légers sur rail, les bus électriques, le métro, etc. Étant donné que ces puissances sont connectées au pantographe de la locomotive via le pantographe, le contact entre le pantographe et le pantographe est intermittent pendant le trajet de transport.Lorsque les deux ne sont pas en contact, l'alimentation est prise en charge par le condensateur d'encre DC-L, et lorsque le contact est rétabli, la surtension est générée.Le pire des cas est une décharge complète du condensateur DC-Link lorsqu'il est déconnecté, où la tension de décharge est égale à la tension du pantographe, et lorsque le contact est rétabli, la surtension résultante est presque deux fois supérieure à la Un de fonctionnement nominale.Pour les condensateurs à film, le condensateur DC-Link peut être manipulé sans considération supplémentaire.Si des condensateurs électrolytiques sont utilisés, la surtension est de 1,2Un.Prenons l'exemple du métro de Shanghai.Un=1500Vdc, pour que le condensateur électrolytique considère la tension est :

Ensuite, les six condensateurs 450 V doivent être connectés en série.Si la conception du condensateur à film est utilisée entre 600 Vdc et 2 000 Vdc ou même 3 000 Vdc, cela est facilement obtenu.De plus, l'énergie en cas de décharge complète du condensateur forme une décharge de court-circuit entre les deux électrodes, générant un courant d'appel important à travers le condensateur DC-Link, ce qui est généralement différent pour que les condensateurs électrolytiques répondent aux exigences.

De plus, par rapport aux condensateurs électrolytiques, les condensateurs à film DC-Link peuvent être conçus pour atteindre un ESR très faible (généralement inférieur à 10 mΩ, et même inférieur à <1 mΩ) et une auto-inductance LS (généralement inférieure à 100 nH, et dans certains cas inférieure à 10 ou 20 nH). .Cela permet au condensateur à film DC-Link d'être installé directement dans le module IGBT lorsqu'il est appliqué, permettant ainsi à la barre omnibus d'être intégrée dans le condensateur à film DC-Link, éliminant ainsi le besoin d'un condensateur absorbeur IGBT dédié lors de l'utilisation de condensateurs à film, économisant ainsi au concepteur une somme d’argent importante.Fig.2.et 3 montrent les spécifications techniques de certains produits C3A et C3B.

3. Conclusion

Au début, les condensateurs DC-Link étaient pour la plupart des condensateurs électrolytiques en raison de considérations de coût et de taille.

Cependant, les condensateurs électrolytiques sont affectés par leur capacité de tenue en tension et en courant (ESR beaucoup plus élevé que les condensateurs à film), il est donc nécessaire de connecter plusieurs condensateurs électrolytiques en série et en parallèle afin d'obtenir une grande capacité et de répondre aux exigences d'une utilisation haute tension.De plus, compte tenu de la volatilisation du matériau électrolytique, celui-ci doit être remplacé régulièrement.Les nouvelles applications énergétiques nécessitent généralement une durée de vie du produit de 15 ans, il doit donc être remplacé 2 à 3 fois durant cette période.Par conséquent, le service après-vente de l’ensemble de la machine entraîne des coûts et des inconvénients considérables.Avec le développement de la technologie de revêtement de métallisation et de la technologie des condensateurs à film, il a été possible de produire des condensateurs à filtre CC de haute capacité avec une tension de 450 V à 1 200 V ou même plus avec un film OPP ultra-mince (le plus fin 2,7 µm, voire 2,4 µm) en utilisant technologie de vaporisation de film de sécurité.D'autre part, l'intégration de condensateurs DC-Link avec la barre omnibus rend la conception du module onduleur plus compacte et réduit considérablement l'inductance parasite du circuit pour optimiser le circuit.