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Linee guida per la progettazione DC-Link

2021-01-07

Kemet DC-Link

I condensatori DC-Link sono di vitale importanza nella conversione della potenza in molte applicazioni, tra cui negli inverter PWM trifase (per il controllo della modulazione a larghezza di impulso), negli inverter fotovoltaici ed eolici, negli azionamenti a motore industriali, nei caricabatterie per auto e negli inverter installati nei veicoli (Fig. 1), negli alimentatori per apparecchiature mediche, ecc. Le applicazioni esigenti sono caratterizzate da costi elevati, condizioni ambientali difficili e severi requisiti in termini di affidabilità. Sebbene diverse tecnologie possano essere utilizzate nella progettazione di circuiti, i condensatori DC-Link vengono utilizzati da molti anni. I condensatori DC-Link possono migliorare la densità di potenza nel sistema e risolvere problemi fisici legati ai ripple generati dalla commutazione rapida, problema indissolubilmente legato alla conversione di potenza. Quale tipi di condensatori funzionano meglio come condensatori DC-Link e perché?

Figura 1: I condensatori DC-Link costituiscono un componente indispensabile nella progettazione di sistemi di conversione di potenza per molte applicazioni all'interno di inverter, inclusi veicoli ibridi ed elettrici. Secondo la JP Morgan Chase and Company, entro il 2025 la quota totale di veicoli ibridi ed elettrici nelle vendite totali di veicoli aumenterà a circa il 30%. (Fonte grafica: afdc.energy.gov)

L'industria automobilistica è un perfetto esempio dell'utilizzo della conversione di potenza nel sistema di propulsione ibrido ed elettrico. I veicoli elettrici dotati di batterie ricaricabili dispongono di pacchetti di celle destinate all'accumulo di energia proveniente dal sistema di propulsione, un motore di propulsione elettrico ed un regolatore di potenza dotato di inverter. Tutti questi dispositivi funzionano con tensioni elevate che vanno da 48 VDC ad un massimo di 800 VDC. A causa dei vincoli fisici associati alla limitazione della corrente, l'alta tensione è correlata ad un'alta efficienza. Maggiore è la tensione d'esercizio della corrente continua, minore è il flusso di corrente richiesto per la stessa potenza di uscita (P=VI). L'industria automobilistica è ben nota per il fabbisogno di componenti in grado di operare in modo affidabile a temperature estremamente elevate, in presenza di vibrazioni continue e condizioni ambientali difficili. L'inverter di trazione trifase converte l'energia della batteria destinato all'azionamento del motore e l'elemento chiave di questa struttura è il condensatore DC-Link.

A differenza delle auto giocattolo, i veicoli elettrici non sfruttano direttamente l'energia accumulata nella batteria, ma quest'ultima necessita di conversione. L'inverter trifase per un veicolo ibrido/elettrico (HEV/EV) è composto dalle seguenti fasi:

  • Fase I, d'ingresso, in cui giunge la tensione continua dalla batteria.
  • Fase II, che inizia la conversione mediante un condensatore DC-Link, che filtra e livella la tensione continua sui bus DC.
  • Fase III, che inizia la conversione attraverso un'alta frequenza di commutazione (con un'uscita simile a quella di un raddrizzatore sui bus) e adduce al carico una corrente trasformata, poiché questo è caratterizzato da un fabbisogno immediato.

Il condensatore DC deve bilanciare le fluttuazioni di potenza istantanea sui bus di corrente, causate dalle operazioni eseguite nella prima e nella terza fase. Il condensatore DC-Link stabilizza i "ripple" generati dai circuiti di commutazione ad alta frequenza presenti nella Fase III. La corrente/tensione pulsante (specificata per una determinata frequenza e temperatura) è il valore totale della media quadrata (RMS) della corrente alternata e della corrente costante, che il condensatore è in grado di sopportare senza guasti.

Come calcolare la capacità necessaria per livellare i picchi di tensione?

Il condensatore DC-Link (installato nella fase II) deve stabilizzare e livellare la tensione e la corrente sui bus (ossia eliminare i picchi causati dalla commutazione). Mediante questa equazione è possibile calcolare la capacità elettrica minima richiesta e la tensione della corrente pulsante:

dove Cmin = capacità minima necessaria, Iout = corrente di uscita, dc = coefficiente di riempimento d'impulso, fSW = frequenza di commutazione, VP(max) = tensione dei ripple di picco.

Il condensatore DC-Link è progettato per stabilizzare la tensione della corrente continua, limitandone le fluttuazioni, poiché l'inverter occasionalmente richiede correnti elevate. La struttura del condensatore Dc-Link può sfruttare tecnologie diverse. Sul mercato sono disponibili condensatori elettrolitici in alluminio, a film e ceramici. La scelta non è facile e dipende in gran parte dall'applicazione.

La scelta del condensatore DC-Link appropriato inizia con il confronto dei valori nominali di capacità e tensione, che si traducono nel fabbisogno noto di energia, cercando al contempo di ottenere elevati valori nominali di tensione della corrente pulsante. I ripple sui nodi DC-Link, generati principalmente dalla commutazione estremamente rapida dei transistor IGBT o MOSFET nella fase III, influiscono sulle prestazioni, perché ogni condensatore presenta una certa impedenza (e induttanza caratteristica). Il condensatore DC-Link deve regolare la tensione e assorbire le pulsazioni della corrente.

I ripple cambiano il livello di tensione che è presente nel condensatore DC-Link, mentre i ripple della corrente di commutazione passano attraverso il condensatore (V=IR). Inoltre sarà necessario considerare le frequenze di commutazione dell'inverter che il condensatore DC-Link deve tollerare. Ad esempio i condensatori a film non funzioneranno correttamente se la frequenza di commutazione è superiore a 1 MHz. Altri fattori importanti durante la scelta del condensatore DC-Link includono la conoscenza della tensione della corrente continua sui bus, la vita utile prevista del dispositivo, la corrente massima possibile e la frequenza dei ripple che si verificheranno nel circuito e se la corrente pulsata generata presenta caratteristiche costanti o intermittenti.

Le specifiche tecniche dei migliori condensatori DC-Link devono includere una bassa induttanza caratteristica, una resistenza in serie equivalente molto bassa (ESR) e un'elevata tolleranza ai ripple di corrente, il tutto a temperature e frequenze operative comparabili (l'ESR del condensatore è la resistenza interna totale specificata per una determinata frequenza e temperatura). Il livello di ESR più basso possibile riduce al minimo la dissipazione di calore sotto forma di potenza dissipata (PDissipata =I2 x ESR). Nel complesso, tuttavia, ciò significa che per i condensatori a film del tipo DC-Link, l'ESR è molto più basso e allo stesso tempo assicurano una buona tensione capacitiva (CV), che di solito offre una risposta nettamente migliore alla corrente pulsante.

I condensatori a film di tipo DC-Link offrono un'elevata tensione della corrente pulsante ed una maggiore vita utile rispetto ai condensatori elettrolitici, al contempo assicurano una capacità superiore rispetto ai condensatori ceramici. Tuttavia le caratteristiche effettive della tensione pulsante sono difficili da prevedere, e variano a seconda della frequenza di commutazione e delle armoniche della corrente, generate dalle fasi di ingresso e uscita (ossia le fasi I e III). Il condensatore DC-Link è un componente che riduce o produce correnti appropriate. Altre soluzioni possono condurre ad una forma d'onda di corrente dalla forma più triangolare.

In generale i valori nominali di capacità possono variare a causa delle variazioni della temperatura operativa dell'ambiente o variazioni della tensione e della frequenza. Altre variabili da prendere in considerazione includono ad es. l'induttanza caratteristica, che può ridurre significativamente l'impedenza effettiva del condensatore alle alte frequenze, cambiando così il comportamento previsto del condensatore. Indipendentemente dal tipo di condensatore scelto, i soppressori di interferenze come ad es. KEMET Flex Suppressors® contribuiscono a ridurre il rumore ad alta frequenza, generato dall'ambiente circostante.

Inoltre l'ESR del condensatore spesso costituisce un fattore che limita il valore nominale della tensione dei ripple (ossia la tensione della corrente pulsante che il condensatore può livellare senza surriscaldarsi). Per raggiungere un basso livello di ESR desiderato e una vita utile prolungata con un'elevata dissipazione, i condensatori a film raggiungono dimensioni fisiche che spesso fanno sì che tale condensatore soddisfi o superi le prestazioni in termini di tensione di corrente pulsante o tempo di scarica.

E un ultima questione: in qualsiasi dispositivo ad alta potenza, bisogna considerare se è stato assicurato il raffreddamento e, in caso affermativo, in che modo? Durante la scelta del condensatore DC-Link appropriato, bisogna prestare particolare attenzione al profilo di temperatura dell'ambiente.

Condensatori per progetti di inverter esigenti

Sul mercato sono disponibili diversi tipi di condensatori. Tuttavia, non tutti sono adatti per l'impiego in inverter ad alta tensione. La scelta di condensatori ceramici multistrato appropriati dalle caratteristiche desiderate di tensione, temperatura e affidabilità è piuttosto limitata. I condensatori elettrolitici sono adatti per applicazioni DC-Link. Sfortunatamente, non tutti i condensatori elettrolitici sono appropriati per questo tipo di applicazioni. I condensatori a film tradizionali in passato erano limitati dalle basse temperature di funzionamento, tuttavia questa tecnologia si è evoluta più velocemente dei condensatori elettrolitici. I condensatori a film più recenti, come ad esempio il modello C4AE dell'azienda KEMET possono assicurare prestazioni migliori. I condensatori a film metallico sono più piccoli dei condensatori elettrolitici, ed offrono funzionalità simili. Sebbene la stabilità della tensione possa essere raggiunta utilizzando un condensatore elettrolitico di grandi dimensioni, la scelta di componenti di grandi dimensioni ridurrebbe, ad esempio, la densità di potenza di un inverter per auto. Le dimensioni e il peso dei componenti influiscono sulle prestazioni complessive e sul valore del veicolo.

I condensatori a film presentano una vita utile più lunga rispetto ai condensatori elettrolitici, principalmente perché sono realizzati con strati metallici applicati mediante evaporazione sul materiale di substrato. A causa dell'elevato livello di energia immagazzinata tra gli strati ultraleggeri di metallo, il cortocircuito interno può essere auto-corretto in modo naturale, poiché piccoli guasti vengono corretti in pochi microsecondi senza una notevole variazione delle prestazioni. I condensatori a film sono adatti anche per applicazioni pulsanti ad alta tensione e ai relativi problemi di sicurezza, poiché sono in grado di resistere a sovratensioni violente e stadi transitori. I condensatori a film non sono polarizzati, possono presentare una vita utile più lunga (ulteriormente estesa abbassando i valori nominali), una maggiore capacità di carico di corrente, assicurano un funzionamento stabile in un intervallo di temperatura più ampio e offrono una migliore stabilità meccanica rispetto ai condensatori elettrolitici. Ulteriori vantaggi includono una vasta gamma di opzioni di montaggio dei condensatori a film. Cosa particolarmente importante per le applicazioni nei veicoli ibridi ed elettrici, i condensatori a film robusti funzionano con bus di corrente con una tensione superiore a 500 VDC.

Un buon esempio di condensatori a film adatti ai veicoli ibridi ed elettrici sono i condensatori a film KEMET C4AQ, che soddisfano i requisiti dello standard AEC-Q200 per le applicazioni automobilistiche e presentano diversi vantaggi importanti in termini di architettura DC-Link. Come accennato in precedenza, i condensatori KEMET C4AQ presentano tutti gli eccellenti vantaggi dei condensatori a film. Un'alternativa a questa soluzione è costituita dai condensatori a film di alimentazione KEMET C4AE, simili ai condensatori della serie C4AQ, tuttavia, non destinati all'utilizzo nell'industria automobilistica. Altri condensatori adatti per applicazioni DC-Link non automobilistiche includono il modello CKC Ceramic KC-LINK e i condensatori a film scatolati C44U e C4DE.

Il monitoraggio delle prestazioni può essere fondamentale per il corretto funzionamento degli inverter ad alta potenza. Vale la pena ricordare che i sensori ad alta corrente della serie CT dell'azienda KEMET consentono la misurazione della corrente in tempo reale nel cavo sotto tensione.

Come mostrato in precedenza, la scelta del condensatore DC-Link appropriato può essere un processo difficile, ma estremamente importante. Il marchio KEMET, insieme alla TME, offre i prodotti e l'assistenza necessaria per migliorare questo processo.

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