Comprensión y selección de capacitores de película para aplicaciones de potencia

El uso de paneles solares y vehículos eléctricos sigue aumentando. Sus sistemas de alimentación dependen de convertidores CC/CC e inversores CC/CA que necesitan capacitores para reducir las ondulaciones de baja frecuencia, filtrar los componentes de alta frecuencia que causan interferencias electromagnéticas (EMI) y absorber las corrientes de carga transitorias para evitar que afecten al lado primario de la fuente de alimentación. Los capacitores para estas aplicaciones de potencia deben ser fiables, compactos, ligeros, duraderos y ofrecer un buen rendimiento a alta frecuencia.

Aunque los capacitores de película son una buena opción para estas aplicaciones de potencia, los diseñadores deben conocer su estructura y características para seleccionar el dispositivo correcto.

Este artículo ofrece una breve visión general de los capacitores de película. A continuación, analiza su selección y uso en aplicaciones de potencia utilizando ejemplos de la División de Electrónica de Eaton.

Capacitores de película

Como todos los capacitores, los capacitores de película incluyen dos placas conductoras separadas por un dieléctrico aislante compuesto por una fina película de plástico, normalmente de polipropileno, un dieléctrico de bajas pérdidas y alta resistencia (Figura 1). Las placas conductoras son finas láminas metálicas o una fina capa de metal depositada sobre el dieléctrico. La lámina y la película se enrollan alrededor de un núcleo, se conectan los cables y el capacitor se encierra en una caja de plástico y se sella con una resina epoxi, protegiéndolo del medio ambiente.

Figura 1: Un capacitor de película consta de un núcleo bobinado que contiene capas metálicas y dieléctricas alternas, selladas en una carcasa protectora de plástico. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division, modificado por Art Pini)

Aunque los capacitores de película tienen una densidad de energía relativamente baja, ofrecen una alta densidad de capacitancia y otras características. En primer lugar, los capacitores de película no son polares; pueden utilizarse en circuitos de CA y CC. Su dieléctrico seco y sólido ofrece mayor fiabilidad que los capacitores con electrolitos líquidos o semilíquidos, y tienen un valor de capacitancia estable con una excelente estabilidad térmica. Una inductancia en serie equivalente (ESL) y una resistencia en serie equivalente (ESR) más bajas favorecen la gestión eficaz de corrientes de rizado elevadas y hacen que los capacitores de película sean idóneos para aplicaciones de alta frecuencia. Quizá la característica más significativa de los capacitores de película es que son autorregenerables. Si se produce una ruptura dieléctrica, se crea un punto caliente local que vaporiza el metal adyacente, formando un agujero no conductor y permitiendo que el capacitor funcione con normalidad, alargando así su vida útil.

Tipos de capacitores de película

Los capacitores de película se adaptan a aplicaciones específicas y los tipos más comunes son los de seguridad, de enlace de CC, de filtro de CA y de impulsos. Los capacitores de película de seguridad están diseñados para atenuar las emisiones conducidas en aplicaciones de filtrado de líneas de CA. Muchas normas de seguridad internacionales establecen requisitos para la EMI conducida. Piensa en un cargador de CC alimentado por línea para un VE. En las estaciones de CC de carga rápida, el filtrado de EMI en modo común y diferencial mediante capacitores sirve de baja impedancia para derivar señales de ruido con una disipación de potencia mínima.

La supresión de EMI utiliza filtros de línea que comprenden capacitores de película entre la línea de alimentación y la fuente de alimentación conmutada (Figura 2).

Figura 2: Los capacitores de película de seguridad C_X y C_Y se incorporan a los filtros de línea para evitar que la EMI se propague a la línea eléctrica. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division)

Los capacitores marcados con C_X se colocan línea a línea y reducen la EMI de modo diferencial. Los capacitores C_Y están conectados de cada línea a tierra, lo que reduce la EMI de modo común.

Los capacitores de enlace de CC sirven como filtros de suavizado en los circuitos de CC que se encuentran entre etapas de CA. Un ejemplo es un filtro inductor-capacitor (L-C) en el bus de CC entre las etapas de rectificador e inversor de un circuito de accionamiento de motor (Figura 3).

Figura 3: Se muestra un capacitor de película de enlace de CC utilizado en un filtro L-C entre las etapas de rectificador e inversor de un circuito de accionamiento de motor. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division)

Junto con los accionamientos de motor, estos capacitores también se encuentran a menudo en inversores de potencia y otros circuitos de carga de alta potencia en los que la entrada de CA y la salida de CA tienen diferentes niveles de tensión. Por ejemplo, consideremos un inversor distribuido en un sistema de energía solar, en el que se utiliza un capacitor de película de enlace de CC para reducir el ruido y los transitorios entre etapas (Figura 4).

Figura 4: Un capacitor de película de enlace de CC suprime el ruido y los transitorios entre el convertidor elevador de un sistema de energía solar y el inversor. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division)

El capacitor de película reduce las señales espurias en un punto en el que la línea V_link devuelve información al circuito de control, lo que mejora el rendimiento.

Los capacitores de filtrado de CA ayudan a eliminar el contenido de frecuencias armónicas no deseadas en aplicaciones como las fuentes de alimentación trifásicas de CA (Figura 5).

Figura 5: Se muestran capacitores de filtro de CA que se utilizan para filtrar una fuente de alimentación trifásica. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division)

Los capacitores de pulsos de película están diseñados para proteger los componentes sensibles de los cambios de tensión dV/dt elevados. Se utilizan en aplicaciones de electrónica pulsada e inversores de potencia. Diseñados para una alta densidad energética, proporcionan ráfagas rápidas de potencia en circuitos como los convertidores de potencia de tanque resonante (Figura 6).

Figura 6: El capacitor de impulsos de película forma un circuito de tanque resonante sintonizado en relación con la frecuencia de conmutación del convertidor de potencia, eliminando los armónicos en el secundario del transformador. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division)

Los circuitos de tanque resonante mejoran significativamente la eficiencia de los convertidores de potencia inductor-inductor-capacitor (LLC). El capacitor de impulsos se utiliza para sintonizar el circuito del tanque en relación con la frecuencia de conmutación de un convertidor de potencia. El tanque resonante elimina los armónicos del secundario del transformador. Además, el tanque resonante permite una conmutación suave en los interruptores del convertidor de potencia, lo que reduce las pérdidas y aumenta la eficiencia.

Construcción de capacitores de película

Las características de cada tipo de capacitor de película vienen determinadas por los materiales utilizados y la geometría de las capas de la película. Por ejemplo, el capacitor de filtrado de CA EFACA25J155D032LH de Eaton-Electronics Division es un capacitor de 1.5 microfaradios (mF) ±5% con una tensión nominal máxima de 250 V. Cuenta con la certificación AEC-Q200 para aplicaciones de automoción y una clasificación THB de tipo IIIB para la entrada de humedad.

Los capacitores de película están formados por capas alternas del dieléctrico metalizado. Para los capacitores de tensión nominal más baja (180 V_CA a 300 V_CA), las capas alternas están conectadas a conductores individuales. Varias capas en paralelo aumentan la capacitancia total, mientras que colocar dos o más capas en serie aumenta la tensión nominal (Figura 7).

Figura 7: La adición de varios capacitores en serie aumenta la tensión nominal de un capacitor de película. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division, modificado por Art Pini)

Los cables están conectados a cada lado de una metalización dividida para una tensión nominal más alta (350 V_CA a 500 V_CA. La capa alternativa tiene una única película metalizada aislada de los conductores y sirve como placa del capacitor común, lo que da como resultado dos capacitores en serie. Esta estructura aumenta la tensión de ruptura del par al tiempo que reduce la capacitancia. Colocando varios pares en paralelo, los diseñadores pueden aumentar la capacitancia.

Al usar el mismo principio de segmentos divididos aislados, los capacitores de 600 V_CA a 760 V_CA crean tres capacitores en serie por cada conjunto de pares superpuestos.

Aplicaciones y construcción de capacitores de impulsos

Los capacitores de impulsos están diseñados para aplicaciones que experimentan dV/dt y corrientes elevadas. Presentan una ESR y ESL bajas, lo que mejora su capacidad para absorber la energía de los picos de tensión transitorios. Sus propiedades autorreparadoras garantizan un funcionamiento fiable a largo plazo.

Los capacitores de impulsos de película son idóneos para aplicaciones de amortiguación en fuentes de alimentación conmutadas, donde protegen los dispositivos de conmutación activos de los picos de tensión y los anillos que se producen durante la conmutación. Por ejemplo, en la figura 8, un capacitor de impulsos de película (C1) combinado con una resistencia (R1) y un diodo (D1) forma un amortiguador que absorbe los picos de tensión generados por la inductancia parásita del transformador durante el apagado del interruptor MOSFET.

Figura 8: Los capacitores de impulsos de película como C1 son muy adecuados para aplicaciones de amortización en fuentes de alimentación conmutadas, donde absorben los picos de tensión generados por la inductancia parásita del transformador durante la desconexión del interruptor MOSFET. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Cuando el MOSFET se abre en un convertidor conmutado flyback, la corriente de drenaje es máxima. La inductancia del transformador actúa para mantener esa corriente y eleva rápidamente la tensión. Inicialmente descargado, el capacitor del circuito de amortiguación absorbe la energía inductiva del pico, protegiendo el interruptor MOSFET. El tiempo de respuesta de la acción capacitiva se reduce manteniendo el ESL bajo, lo que permite a la amortiguación manejar el alto dV/dt del transitorio. La baja ESR permite las altas corrientes necesarias para absorber la energía transitoria durante la desconexión del interruptor.

La construcción del capacitor de impulsos de película está optimizada para manejar altos dV/dt y corrientes resultantes (Figura 9).

Figura 9: La estructura interna de un capacitor de impulsos de película emplea una película dieléctrica metalizada de doble cara para reducir la ESR. (Fuente de la imagen: Eaton-Electronics Division)

Los capacitores de impulsos de película de Eaton-Electronics Division utilizan una película dieléctrica metalizada de doble cara, duplicando efectivamente el área de contacto entre la placa del capacitor y la conexión de plomo, reduciendo así la ESR del capacitor y aumentando su capacidad de corriente. Por ejemplo, el EFPLS1GJ223B072LH es un capacitor de película pulsada de 0.022 mF ±5% con una tensión nominal máxima de 1600 V. Tiene una ESR de 30 miliohmios (mΩ) y un ESL de 12 nanohenrios (nH). Tiene una especificación dV/dt máxima de 6000 V por microsegundo (V/µs) y una corriente nominal RMS de 3.2 A, con una corriente nominal de pico de 132 A.

La serie EFPLA relacionada incluye capacitores de impulsos de película para entornos severos, como la automoción, y cumple las especificaciones THB Grado IIIB y AEC-Q200. El EFPLA2AJ153B092LH de Eaton, por ejemplo, es un capacitor de impulsos de película de 0.015 mF y ±5% con tensión nominal de 2000 V. Tiene una ESR de 45 mΩ y un ESL de 12 nH. Tiene una especificación dV/dt máxima de 4500 V/µs y una corriente nominal RMS de 3 A, con una corriente nominal de pico de 142.5 A.

Conclusión

Los capacitores de película utilizan tecnología seca no polarizada y presentan una alta densidad de capacitancia. Ofrecen una capacitancia estable a lo largo de la temperatura, soportan altas corrientes de rizado y tensiones de impulso y sobretensión, y son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y potencia. Su construcción metalizada también proporciona una capacidad de autocuración, mejorando la fiabilidad y la vida operativa y facilitando un mecanismo de fallo más agraciado. Eaton-Electronics Division ofrece una amplia y creciente variedad de capacitores de película de polipropileno metalizado optimizados funcionalmente para múltiples aplicaciones y entornos operativos distintos.