No deje que el capacitor de enlace de CC sea el punto débil en su diseño de convertidor de potencia

Los capacitores de enlace de corriente continua (CC) son un componente fundamental en muchas aplicaciones, incluidos los inversores trifásicos para impulsores de motores de vehículos eléctricos (EV), inversores fotovoltaicos y de energía eólica, impulsores de motores industriales, cargadores integrados para automóviles y fuentes de alimentación para equipos médicos o industriales. Es importante mantenerse al día con las últimas novedades. Si no se implementan correctamente, los capacitores de enlace de CC podrían ser un “punto débil” que reduzca la densidad y la fiabilidad de la energía.

Lamentablemente para los diseñadores, a diferencia de la tecnología de los semiconductores que avanza a un ritmo rápido, los avances en la tecnología de los capacitores son lentos y se pueden pasar por alto. Contribuyendo al desafío, las diferentes tecnologías de capacitores avanzan a diferentes ritmos: los electrolíticos de aluminio constituyen una tecnología más madura y de evolución más lenta, mientras que los capacitores de película y los capacitores cerámicos multicapa (MLCC) avanzan de forma más rápida. Los capacitores electrolíticos de aluminio normalmente ofrecen mayor capacitancia por volumen de unidad y mayores densidades de energía en comparación con los capacitores de película y MLCC, pero las compensaciones no son fijas.

Por ejemplo, al actualizar los interruptores de potencia con dispositivos de mayor frecuencia, como al reemplazar los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) por transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) o al reemplazar los dispositivos de silicio por interruptores de potencia de banda ancha (WBG), puede ser un buen momento para reconsiderar las decisiones anteriores sobre capacitores de enlace de CC. La tecnología de cada capacitor de enlace de CC ofrece un conjunto de capacidades único (Figura 1).

Figura 1: La comparación del capacitor de enlace de CC muestra el voltaje frente a la capacitancia de las tecnologías principales. Los capacitores CeraLink de TDK son MLCC optimizados para aplicaciones de enlace de CC. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

Los electrolíticos de aluminio (líticos) son los capacitores de enlace de CC más comunes. Ofrecen una combinación de alta densidad de energía y bajo costo. Con frecuencia se utilizan en impulsores de motores industriales, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y diversas aplicaciones de consumo, comerciales e industriales. Sin embargo, su vida útil relativamente corta y su operación de baja frecuencia pueden excluir a los líticos de la consideración en aplicaciones más exigentes.

Los capacitores de película con frecuencia se hallan como el elemento de enlace de CC en aplicaciones más exigentes, como las fuerzas de tracción de EV. Los capacitores de película tienen mayor fiabilidad, alta capacidad de conducción de corriente y menor resistencia equivalente en serie (ESR), y se pueden utilizar en frecuencias más altas en comparación con los líticos. Pero, al igual que los líticos, los capacitores de película tienen temperaturas de funcionamiento relativamente bajas de alrededor de 105 grados Celsius (ºC).

Los MLCC presentan una tercera posibilidad. Estos capacitores tienen una clasificación de corriente de raíz cuadrada media (rms) más alta y pueden soportar mayores temperaturas que otros capacitores. La desventaja es que pueden emplear una cantidad relativamente grande de MLCC para una densidad de energía determinada, lo que hace que sea complejo implementar un diseño de capacitor que garantice una distribución de corriente equitativa. Además, puede haber problemas de fiabilidad relacionados con los MLCC, ya que el material dieléctrico cerámico es rígido y puede romperse por tensiones mecánicas o térmicas, lo que crea un cortocircuito entre los terminales.

Es evidente que la tecnología de capacitor “perfecta” para todas las aplicaciones de enlace de CC no existe. Para llegar a la mejor solución de diseño en un proyecto determinado, debe revisar los últimos avances tecnológicos y desarrollos de productos. Así que consideremos algunas de las compensaciones y capacidades de los tipos de dispositivos representativos, incluidos el capacitor electrolítico de aluminio de Cornell Dubilier Electronics, el capacitor de película de KEMET y los MLCC de TDK Corporation.

Capacitores electrolíticos para diseños de alta ondulación

En las aplicaciones con corrientes de alta ondulación, puede utilizar la serie 381LR de Cornell Dubilier Electronics, clasificada para 200 a 450 VCC y 56 a 2,200 microfaradios (µF) que puede manejar, al menos, 25 % más corriente de ondulación en comparación con los líticos estándar de inserción a presión de 105 ºC (Figura 2). Los avances recientes en formulaciones de electrolitos son clave para la baja resistencia equivalente en serie (ESR) que brinda a estos capacitores su capacidad de corriente de ondulación. Esto significa que se necesitan menos capacitores en los impulsores de motores, los UPS y otras aplicaciones de corriente de alta ondulación.

Figura 2: Los capacitores electrolíticos de aluminio 381LR están clasificados para 200 a 450 voltios de CC y 56 a 2,200 µF. (Fuente de la imagen: Jeff Shepard, basado en el material fuente de Cornell Dubilier Electronics)

Capacitores de película para fuerzas de tracción de automóviles

Si diseña sistemas para entornos hostiles, como fuerzas de tracción de automóviles, los capacitores de película C4AK de enlace de CC de KEMET, con una vida útil de 4,000 horas a 125 ºC y 1000 horas a 135 ºC, son una buena opción (Figura 3). Pensados para diseños de sistemas compactos, estos dispositivos tienen un formato de caja radial para montaje en placa de CI con un bajo perfil, y permiten el uso de menos capacitores mientras manejan, paralelamente, corrientes pico y de ondulación.

Figura 3: La serie de capacitores de película C4AK de enlace de CC de KEMET tiene una vida útil de 4,000 horas a 125 ºC y 1000 horas a 135 ºC. (Fuente de la imagen: KEMET)

Los capacitores de enlace de CC C4AK están diseñados para su uso en convertidores de potencia del sistema para EV de alta frecuencia y alta corriente, inversores fotovoltaicos y de pilas de combustible, sistemas de almacenamiento de energía, transferencia de potencia inalámbrica y otras aplicaciones industriales.

MLCC para semiconductores de WBG rápidos

Al utilizar WBG, la familia CeraLink FA (conjuntos flexibles) de TDK Corporation podría ofrecer una solución adecuada. La familia incluye valores de capacitancia de 0.25 µF a 10 µF y voltajes clasificados entre 500 y 900 voltios de CC. Por ejemplo, el B58035U9255M001 se clasifica a 2.5 µF y 900 voltios (Figura 4). Los diferentes dispositivos en la familia CeraLink se optimizan para su uso como capacitores de enlace de CC, con características que incluyen las siguientes:

• Densidades de capacitancia de 2 a 5 µF por centímetro cúbico (cm³)
• Baja autoinductancia de 2.5 a 4 nanohenrios (nH)
• Capacidad para colocarlos muy cerca del dispositivo de potencia del semiconductor con operación hasta 150 ºC aceptable (durante un tiempo limitado)
• Sin restricción en la velocidad de respuesta de voltaje (dV/dt)

Figura 4: El B58035U9255M001 es parte de la familia de CeraLink FA de TDK Corporation, una pila de MLCC de 2.5 µF y 900 voltios. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

Los capacitores de la familia de FA tienen 9.1 milímetros (mm) de ancho por 7.4 mm de alto y están disponibles en longitudes de 6.3 mm, 9.3 mm y 30.3 mm. Presentan una capacidad de corriente de ondulación de hasta 47 amperios (A) rms.

Conclusión

Especificar un capacitor de enlace de CC es una parte importante del diseño de los convertidores de potencia. Como se muestra, hay una amplia gama de opciones posibles, que están sujetas a cambio. Hacer una mala elección podría ocasionar que un convertidor de potencia no cumpla con las expectativas o que sea demasiado costoso. Para evitar tomar una mala decisión, debe mantenerse al día con las últimas novedades sobre las tecnologías y los productos del capacitor de enlace de CC.