Conoscere e selezionare i condensatori a film per applicazioni di alimentazione

L'uso dei pannelli solari e dei veicoli elettrici (EV) continua ad aumentare. I sistemi che li alimentano si basano su convertitori c.c./c.c. e inverter c.c./c.a. che richiedono condensatori per ridurre l'ondulazione a bassa frequenza, filtrare i componenti ad alta frequenza che causano interferenze elettromagnetiche (EMI) e assorbire le correnti di carico transitorie per evitare che si ripercuotano sul lato primario della fonte di alimentazione. I condensatori per queste applicazioni devono essere affidabili, compatti, leggeri, di lunga durata e con buone prestazioni ad alta frequenza.

Sebbene i condensatori a film siano una buona scelta per le applicazioni di alimentazione, i progettisti devono conoscerne la struttura e le caratteristiche per selezionare il dispositivo corretto.

Questo articolo fornisce una breve panoramica dei condensatori a film. Illustra la scelta e l'uso di questi dispositivi nelle applicazioni di alimentazione, portando in esempio componenti di Eaton-Electronics Division.

Condensatori a film

Come tutti i condensatori, i condensatori a film comprendono due piastre conduttrici separate da un dielettrico isolante costituito da un sottile film in plastica, tipicamente in polipropilene, un dielettrico a bassa perdita e alta resistenza (Figura 1). Le piastre conduttrici sono costituite da sottili lamine metalliche o da un sottile strato di metallo depositato sul dielettrico. La lamina e il film sono avvolti attorno a un nucleo, i conduttori sono collegati e il condensatore è racchiuso in una custodia in plastica e sigillato con una resina epossidica che lo protegge dall'ambiente.

Figura 1: Un condensatore a film è costituito da un nucleo avvolto contenente strati alternati di metallo e dielettrico, sigillato in una custodia protettiva in plastica. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division, modificata da Art Pini)

Sebbene i condensatori a film abbiano una densità energetica relativamente bassa, offrono un'elevata densità di capacità e diverse altre caratteristiche. In primo luogo, i condensatori a film non sono polari e possono essere utilizzati in circuiti c.a. e c.c. Il loro dielettrico solido e secco offre una maggiore affidabilità rispetto ai condensatori con elettroliti liquidi o semi-liquidi e presenta un valore di capacità stabile con un'eccellente stabilità termica. L'induttanza equivalente in serie (ESL) e la resistenza equivalente in serie (ESR) più basse favoriscono la gestione efficace di correnti di ripple elevate e rendono i condensatori a film particolarmente adatti alle applicazioni ad alta frequenza. La caratteristica forse più significativa dei condensatori a film è l'autorigenerazione. Se si verifica una perforazione del dielettrico, si crea un punto caldo locale che vaporizza il metallo adiacente, formando un foro non conduttivo e consentendo al condensatore di funzionare normalmente, prolungandone la durata.

Tipi di condensatore a film

I condensatori a film sono progettati per applicazioni specifiche e i tipi più comuni sono quelli di sicurezza, DC-Link, di filtro c.a. e impulsivi. I condensatori a film di sicurezza sono progettati per attenuare le emissioni condotte nelle applicazioni di filtraggio della linea c.a. Molti standard di sicurezza internazionali prevedono requisiti per le EMI condotte. Consideriamo un caricabatterie c.a. alimentato dalla rete per un veicolo elettrico. Nelle stazioni di ricarica rapida in c.c., i condensatori di filtraggio EMI di modo comune e differenziale fungono da bassa impedenza per derivare i segnali di rumore con una dissipazione di potenza minima.

La soppressione delle EMI utilizza filtri di linea che comprendono condensatori a film tra la linea di alimentazione e l'alimentatore a commutazione (Figura 2).

Figura 2: I condensatori a film di sicurezza C_X e C_Y sono incorporati nei filtri di linea per evitare che le EMI si propaghino alla linea di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division)

I condensatori contrassegnati con C_X sono posizionati da linea a linea e riducono le EMI di tipo differenziale. I condensatori C_Y sono cablati da ogni linea a terra, riducendo le EMI di modo comune.

I condensatori DC-Link servono come filtri di attenuazione nei circuiti c.c. che si trovano tra gli stadi c.a. Un esempio è un filtro induttore-condensatore (L-C) sul bus c.c. tra gli stadi del raddrizzatore e dell'inverter di un circuito di azionamento motore (Figura 3).

Figura 3: Un condensatore a film DC-Link utilizzato in un filtro L-C tra gli stadi del raddrizzatore e dell'inverter di un circuito di azionamento motore. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division)

Oltre che negli azionamenti di motori, questi condensatori si trovano spesso anche negli inverter di potenza e in altri circuiti di carica ad alta potenza in cui l'ingresso e l'uscita c.a. hanno livelli di tensione diversi. Ad esempio, si consideri un inverter distribuito in un impianto di energia solare, in cui viene utilizzato un condensatore a film DC-Link per ridurre il rumore e i transitori tra gli stadi (Figura 4).

Figura 4: Un condensatore a film DC-Link sopprime il rumore e i transitori tra il convertitore boost di un impianto solare e l'inverter. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division)

Il condensatore a film riduce i segnali spuri nel punto in cui la linea V_link riporta le informazioni al circuito di controllo, migliorando le prestazioni.

I condensatori di filtro c.a. aiutano a eliminare le armoniche di frequenza indesiderate in applicazioni come le fonti di alimentazione c.a. trifase (Figura 5).

Figura 5: I condensatori di filtro c.a. sono utilizzati per filtrare una fonte di alimentazione trifase. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division)

I condensatori a film impulsivi sono progettati per proteggere i componenti sensibili da elevate variazioni di tensione dV/dt. Sono utilizzati in applicazioni di elettronica pulsata e inverter di potenza. Progettati per un'elevata densità energetica, forniscono rapidi burst di potenza in circuiti come i convertitori di potenza a tank risonante (Figura 6).

Figura 6: Il condensatore a film impulsivo forma un circuito a tank risonante sintonizzato rispetto alla frequenza di commutazione del convertitore di potenza, eliminando le armoniche nel secondario del trasformatore. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division)

I circuiti a tank risonante migliorano significativamente l'efficienza dei convertitori di potenza induttore-induttore-condensatore (LLC). Il condensatore impulsivo viene utilizzato per sintonizzare il circuito del tank rispetto alla frequenza di commutazione di un convertitore di potenza. Il tank risonante elimina le armoniche dal secondario del trasformatore. Inoltre, il tank risonante consente una commutazione graduale negli interruttori del convertitore di potenza, riducendo le perdite e aumentando l'efficienza.

Costruzione di un condensatore a film

Le caratteristiche di ciascun tipo di condensatore a film sono determinate dai materiali utilizzati e dalla geometria degli strati del film. Ad esempio, il condensatore di filtraggio c.a. EFACA25J155D032LH di Eaton-Electronics Division è un condensatore da 1,5 mF ±5% con una tensione nominale massima di 250 V. È qualificato AEC-Q200 per applicazioni automotive e ha una classificazione THB di tipo IIIB per l'infiltrazione di umidità.

I condensatori a film sono formati da strati alternati di dielettrico metallizzato. Per i condensatori a più bassa tensione (da 180 V_c.a. a 300 V_c.a.), gli strati alternati sono collegati a singoli conduttori. Più strati in parallelo aumentano la capacità totale, mentre due o più strati in serie aumentano la tensione nominale (Figura 7).

Figura 7: L'aggiunta di più condensatori in serie aumenta la tensione nominale di un condensatore a film. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division, modificata da Art Pini)

I conduttori sono collegati a ciascun lato di una metallizzazione divisa per una tensione nominale più elevata (da 350 V_c.a. a 500 V_c.a.). Lo strato alternato presenta un singolo film metallizzato isolato dai conduttori e funge da armatura comune del condensatore, dando vita a due condensatori in serie. Questa struttura aumenta la tensione di rottura della coppia e riduce la capacità. Disponendo più coppie in parallelo, i progettisti possono aumentare la capacità.

Utilizzando lo stesso principio dei segmenti separati isolati, i condensatori da 600 V_c.a. a 760 V_c.a. creano tre condensatori in serie per ogni serie di coppie sovrapposte.

Applicazioni e costruzione dei condensatori impulsivi

I condensatori impulsivi sono progettati per applicazioni con correnti e dV/dt elevati. Presentano basse ESR e ESL, il che migliora la loro capacità di assorbire energia dai picchi di tensione transitori. Le loro proprietà autorigeneranti garantiscono un funzionamento affidabile a lungo termine.

I condensatori a film impulsivi sono particolarmente indicati per le applicazioni di soppressione negli alimentatori a commutazione, dove proteggono i dispositivi di commutazione attivi dai picchi di tensione e dalla sovraoscillazione che si verificano durante la commutazione. Ad esempio, nella Figura 8, un condensatore a film impulsivo (C1) combinato con un resistore (R1) e un diodo (D1) forma un soppressore che assorbe i picchi di tensione generati dall'induttanza parassita del trasformatore durante lo spegnimento del commutatore MOSFET.

Figura 8: I condensatori a film impulsivi come C1 sono adatti alle applicazioni di soppressione negli alimentatori a commutazione, dove assorbono i picchi di tensione generati dall'induttanza parassita del trasformatore durante lo spegnimento del commutatore MOSFET. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Quando il MOSFET si apre in un convertitore di potenza flyback a commutazione, la corrente di drain è massima. L'induttanza del trasformatore mantiene tale corrente e aumenta rapidamente la tensione. Inizialmente scaricato, il condensatore del circuito di soppressione assorbe l'energia del picco induttivo, proteggendo il commutatore MOSFET. Il tempo di risposta dell'azione capacitiva viene ridotto mantenendo bassa la ESL, consentendo al soppressore di gestire l'elevata dV/dt del transitorio. La bassa ESR consente di assorbire l'energia transitoria durante lo spegnimento del commutatore con correnti elevate.

La costruzione di un condensatore a film impulsivo è ottimizzata per gestire elevati valori di dV/dt e le correnti risultanti (Figura 9).

Figura 9: La struttura interna di un condensatore a film impulsivo impiega un film dielettrico metallizzato su due lati per ridurre la ESR. (Immagine per gentile concessione di Eaton-Electronics Division)

I condensatori a film impulsivi di Eaton-Electronics Division utilizzano un film dielettrico metallizzato su due lati, raddoppiando di fatto l'area di contatto tra l'armatura del condensatore e la connessione del conduttore, riducendo così la ESR del condensatore e aumentando la sua capacità di corrente. Ad esempio, EFPLS1GJ223B072LH è un condensatore a film impulsivo da 0,022 mF ±5% con tensione massima di 1600 V. Ha una ESR di 30 mΩ e una ESL di 12 nH. Ha una specifica di dV/dt massima di 6000 V/µs e una corrente nominale RMS di 3,2 A, con una corrente di picco di 132 A.

La serie EFPLA comprende condensatori a film impulsivi per ambienti gravosi, come quello automotive, ed è conforme alle specifiche THB di grado IIIB e AEC-Q200. Il condensatore EFPLA2AJ153B092LH di Eaton, ad esempio, è un condensatore a film impulsivo da 0,015 mF ±5% con una tensione nominale di 2000 V. Ha una ESR di 45 mΩ e una ESL di 12 nH. Ha una specifica di dV/dt massima di 4500 V/µs e una corrente nominale RMS di 3 A, con una corrente di picco di 142,5 A.

Conclusione

I condensatori a film utilizzano una tecnologia a secco e non polarizzata e presentano un'elevata densità di capacità. Offrono una capacità stabile in funzione della temperatura, gestiscono correnti di ripple elevate e tensioni impulsive e sovratensioni e sono adatti per applicazioni ad alta frequenza e di alimentazione. La loro struttura metallizzata fornisce anche una capacità autorigenerante, migliorando l'affidabilità e la vita operativa, con un meccanismo di guasto più pratico. Eaton-Electronics Division offre un'ampia e crescente gamma di condensatori a film in polipropilene metallizzato, funzionalmente ottimizzati per molteplici applicazioni e ambienti operativi.