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Seleccionando condensadores DC-link en convertidores de potencia

En multitud de aplicaciones, desde los cargadores de teléfonos móviles más sencillos a los inversores de redes de suministro eléctrico que operan a cientos de kW, se usan esquemas de conversión de potencia que incorporan una fase intermedia donde la energía se procesa en corriente contínua. Un condensador “DC-Link” resulta adecuado en este punto a la hora de ofrecer un camino de baja impedancia a corrientes de conmutación de elevada frecuencia y proporcionar almacenamiento de energía. La fase de entrada puede ser tan simple como un rectificador fuera de una tensión de entrada de línea AC o un circuito de corrección de factor de potencia (PFC) que genera una corriente de alta tensión constante. El condensador DC-link actúa como el filtro de salida de fase en la etapa PFC, que absorbe las corrientes de conmutación para minimizar la corriente de rizado.

La fase de salida debería ser un convertidor o un inversor de modo conmutado que “interrumpe” la excesiva corriente de frecuencia desde el condensador DC-Link. El condensador también tiene que poseer el tamaño idóneo para cumplir las especificaciones de tensión de rizado en el DC-Link y almacenamiento de energía entre los ciclos de red eléctrica o cuando se pierde la alimentación de entrada. Por ello, debería tener una baja resistencia serie equivalente (ESR) y una mínima ratio de capacitancia y corriente de rizado.

Estas especificaciones hay que cumplirlas con determinados parámetros de tensión, temperatura, salida de potencia y frecuencias de conmutación para garantizar una elevada duración. Para los convertidores AC-DC de baja potencia sin fase PFC, la capacitancia mínima queda establecida por la tensión de rizado de la red eléctrica permitida en el DC-Link. Esto dota de un valor de capacitancia de unos 2 μF / W para una alimentación de entrada universal. Y, para convertidores AD-DC de mayor potencia con PFC, el valor lo determina un tiempo “hold-up” o “ride-through” de la pérdida de potencia de entrada y es posible alcanzar un valor de capacitancia mucho menor con energía almacenada a elevada tensión. Valores de menos de 1 μF / W son normales. La capacitancia requerida por hold-up se calcula fácilmente al equiparar la energía necesaria por la carga durante ese periodo de hold-up; th x Po/η (tiempo de hold-up por potencia de salida dividida por eficiencia) con la diferencia de energía en el condensador entre su tensión inicial y final, a la que el convertidor para en función de las especificaciones (0.5 CV2start – 0.5 CV2finish) Este se reorganiza para dar C = 2 Po th/ η (Vstart2 – Vfinish2) Para inversores de salida AC, el hold-up puede no ser un problema, ya que sólo se necesita una mínima capacitancia para conseguir una impedancia lo suficientemente baja en la frecuencia de conmutación de inversor y, por lo tanto, disminuir la tensión de rizado.

En circuitos prácticos, la corriente de rizado que el condensador debe gestionar sin sobrecalentamiento por disipación en la ESR suele convertirse en un factor determinante. La corriente puede ser tan alta que para una tensión dada se requiere un tamaño mínimo de condensador a la hora de conseguir baja ESR, alta disipación y larga duración. Esto conduce a una capacitancia que supera el mínimo de la línea de rizado o los cálculos de hold-up. La forma de onda de la corriente de rizado es muy difícil de predecir al ser una combinación de frecuencia de línea y frecuencias de fase de entrada y salida, y sus correspondientes armónicos. Las formas de onda dependen de las topologías de las fases y pueden variar desde corrientes high-rms triangulares en fases PFC de modo discontinuo a corrientes más cuadradas de fase de convertidor e inversor puente.

Las corrientes de fase de entrada y salida “entran y salen” del condensador y no necesariamente en fase o a una frecuencia fija, complicando el asunto. Existen esquemas donde las fases de entrada y salida se pueden sincronizar para lograr alguna cancelación de corriente de rizado en el condensador. Desde el cálculo, el experimento o la simulación, se pueden encontrar las especificaciones del condensador principal, pero entonces aparecen otras consideraciones a tener en cuenta, como tamaño, coste, vida útil y fiabilidad. Un diseñador podrá comprobar que existen varios tipos de condensador disponibles para su aplicación, pudiendo elegir entre electrolíticos de aluminio, de película y de cerámica. La selección no resulta fácil y depende en gran medida de los requisitos del proyecto. Sin embargo, en general, los modelos electrolíticos suelen ser más económicos y compactos que los de película y cerámica para una combinación dada de ratio de tensión y capacitancia (ratio CV), pero ofrecen menor corriente de rizado. También tienen una mayor variación de capacitancia, ESR y corriente de rizado con respecto a tiempo y temperatura, así como una menor duración (al depender de la temperatura y la tensión aplicadas). Los condensadores electrolíticos sólo se encuentran disponibles con una ratio de hasta 600 VDC en comparación con los varios kV de las variantes de película, requiriendo así la conexión en serie de varios electrolíticos con redes balanceadas en aplicaciones de elevada tensión. El coste inicial de un electrolítico puede ser muy inferior al de uno de película con una ratio CV equivalente.

Un ejemplo se podría encontrar en la serie B43544 electrolítica y la serie BMKP 3277 de película de TDK EPCOS. A 470 / 480 μF y 450 V, la ESR del tipo de película es alrededor de sesenta veces menor, la corriente de rizado unas nueve veces mayor y la vida estimada unas cuatro veces superior con temperaturas y frecuencias similares. No obstante, el electrolítico es diez veces más compacto y tiene una décima parte del coste del de película. La Tabla 1 ofrece un resumen de las principales especificaciones de los dos condensadores del ejemplo. Quizá, lo más importante es la forma en la que dichas especificaciones varían con el entorno y las condiciones de aplicación. La Figura 2 muestra cómo la capacitancia, el factor de pérdida y la duración de los condensadores electrolítico y de película cambian en función de la temperatura. El fin de la vida útil queda definido como degradación de rendimiento desde un determinado nivel, normalmente una variación superior al 20 por ciento del valor inicial, un cambio de factor de disipación de más de 1.3 veces el valor inicial o corriente de fuga por encima del límite especificado.

Si esto no se puede tolerar y el componente se usa a elevada temperatura, puede ser necesario sustituirlo muchas veces durante la vida del equipo final con los costes asociados de adquisición, revisión y periodos de inactividad. Existe una gran diferencia en la duración de los dos tipos, pero durante la vida esperada de un condensador electrolítico, su fiabilidad inherente todavía no es tan diferente a las versiones cerámicas o con película. TDK EPCOS alcanza los 10 FITS (fallos en 109 horas operativas) a 0.5 V y +40 °C para el ejemplo con un condensador de película y, aunque la compañía no ofrece una figura para el electrolítico en su ficha técnica (data sheet), estos modelos suelen reportar ratios de 0.5 a 20 FITS. Bajo condiciones de estrés de tensión, los condensadores de película tienen la ventaja de ser selfhealing (auto-reparables) y soportar mayores sobretensiones que los electrolíticos.

Los condensadores DC-Link cerámicos, como los de la gama CeraLinkTM de TDK EPCOS, sólo se encuentran disponibles con capacidades de unos 20 μF a 500 V (B58033I5206M001), pero si se conectan en paralelo veintitrés unidades, es posible alcanzar valores de 460 μF en 192 cm³ y, por lo tanto, gestionar una elevada corriente de rizado. Cada unidad está lista para operar a 31.5 A con 100 kHz y +85 °C, por lo que veintitrés elementos podrían, en teoría, gestionar hasta 724 A. No obstante, como sucede con otros condensadores cerámicos, los valores de capacitancia y ESR varían considerablemente con la tensión y la temperatura aplicadas. Para ir resumiendo, la elección del tipo de condensador depende en gran medida de la aplicación y los modelos electrolíticos todavía son una buena opción en proyectos sensibles al coste y entornos “poco” adversos.

Cuando la temperatura y la corriente de rizado suben, decantarse por un condensador electrolítico en lugar de uno de película puede suponer un “falso ahorro” al tener en cuenta los costes de un periodo corto de vida y los consiguientes gastos de sustitución y tiempo de inactividad. La marca TDK EPCOS dispone de una amplia oferta de ambos tipos de condensador que satisface las necesidades de diferentes condiciones adversas y varios formatos de montaje. Para facilitar el diseño, Avnet Abacus ha desarrollado una nueva herramienta interactiva que pretende ayudar a encontrar el mejor producto de TDK para inversores y controladores.

Esta herramienta también permite explorar las fases de un circuito de controlador e identificar los modelos más adecuados para cada diseño. Visite http://avnet-abacus.hssites. com/inverters/input-filtering si desea ir directamente a la sección DC-Link, donde puede acceder a las fichas y la información técnica de los productos mencionados en este artículo. Y, si está interesado en obtener mayor información de circuitos de filtro de entrada o tiene cualquier duda sobre un diseño específico de inversor, por favor, contacte con su especialista local de Avnet Abacus.



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