Le condensateur de liaison CC ne doit pas être le maillon faible de votre conception de convertisseur de puissance

Les condensateurs de liaison à courant continu (CC) sont des composants essentiels dans de nombreuses applications, notamment les onduleurs triphasés pour la commande de moteur de véhicule électrique, les onduleurs pour l'énergie photovoltaïque et éolienne, les entraînements de moteurs industriels, les chargeurs embarqués automobiles et les alimentations pour les équipements médicaux ou industriels. Il est important de suivre les derniers développements. S'ils ne sont pas implémentés correctement, les condensateurs de liaison CC peuvent constituer un « maillon faible » qui réduit la densité d'énergie et la fiabilité.

Malheureusement pour les concepteurs, contrairement à la technologie de semi-conducteurs qui progresse rapidement, les avancées liées à la technologie des condensateurs sont lentes et peuvent passer inaperçues. Le défi est d'autant plus complexe que les diverses technologies de condensateur progressent à des rythmes différents : les condensateurs électrolytiques en aluminium constituent une technologie plus mature à l'évolution plus lente, tandis que les condensateurs à film et les condensateurs céramique multicouches (MLCC) progressent plus rapidement. Les condensateurs électrolytiques en aluminium offrent typiquement une capacité supérieure par volume d'unité et des densités d'énergie supérieures par rapport aux condensateurs à film et aux condensateurs MLCC, mais les compromis ne sont pas fixes.

Par exemple, la mise à niveau des commutateurs avec des dispositifs à fréquence plus élevée (comme le remplacement des IGBT par des MOSFET ou le remplacement des dispositifs silicium par des commutateurs à large bande interdite) peut être un bon moment pour réévaluer les choix passés en matière de condensateurs de liaison CC. Chaque technologie de condensateur de liaison CC offre un ensemble unique de capacités (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison de condensateurs de liaison CC montrant la tension par rapport à la capacité pour les principales technologies. Les condensateurs CeraLink de TDK sont des condensateurs MLCC optimisés pour les applications de liaison CC. (Source de l'image : TDK Corporation)

Les condensateurs électrolytiques en aluminium sont les condensateurs de liaison CC les plus courants. Ils offrent une combinaison de haute densité d'énergie et de faibles coûts. Ils sont souvent utilisés pour les entraînements de moteurs industriels, les alimentations secourues et diverses applications grand public, commerciales et industrielles. Cependant, leur durée de vie relativement courte et leur fonctionnement basse fréquence peuvent les exclure des applications plus exigeantes.

Les condensateurs à film sont souvent utilisés en tant qu'élément de liaison CC dans les applications plus exigeantes comme les commandes de traction des véhicules électriques. Les condensateurs à film offrent un niveau de fiabilité supérieur, une capacité de conduction de courant élevée, une résistance série équivalente (ESR) inférieure, et ils peuvent être utilisés à des fréquences plus élevées par rapport aux condensateurs électrolytiques en aluminium. Mais tout comme les condensateurs électrolytiques en aluminium, les condensateurs à film présentent des températures de fonctionnement relativement basses d'environ 105°C.

Les condensateurs MLCC constituent une troisième possibilité. Ces condensateurs ont un courant nominal efficace (RMS) supérieur et peuvent supporter des températures plus élevées que les autres condensateurs. L'inconvénient est qu'un nombre de condensateurs MLCC relativement élevé peut être nécessaire pour une densité d'énergie donnée, ce qui rend difficile l'implémentation d'une configuration de condensateurs garantissant une distribution égale du courant. En outre, il peut y avoir des problèmes de fiabilité associés aux condensateurs MLCC. Le matériau diélectrique céramique est rigide et peut se fissurer en raison de contraintes mécaniques ou thermiques, créant ainsi un court-circuit entre les bornes.

Il est clair qu'il n'existe pas de technologie de condensateur « idéale » pour toutes les applications de liaison CC. Pour parvenir à la meilleure solution de conception pour un projet donné, il convient de consulter les dernières avancées technologiques et les derniers développements de produit. Dans cette optique, examinons certains compromis et certaines capacités des types de dispositifs représentatifs, notamment les condensateurs électrolytiques en aluminium de Cornell Dubilier Electronics, les condensateurs à film de KEMET et les condensateurs MLCC de TDK Corporation.

Condensateurs électrolytiques pour conceptions à ondulation élevée

Pour les applications avec de forts courants ondulés, vous pouvez utiliser la série 381LR de Cornell Dubilier Electronics, qui est répertoriée pour 200 à 450 VCC et 56 à 2200 microfarads (µF), et qui peut gérer au moins 25 % de courant ondulé de plus que les condensateurs électrolytiques encliquetables de 105°C standard (Figure 2). Les récentes avancées dans les formulations d'électrolyte sont un facteur essentiel à la faible résistance ESR qui donne à ces condensateurs leur capacité en matière de courant ondulé. Cela signifie qu'il faut moins de condensateurs dans les entraînements de moteurs, les alimentations secourues et d'autres applications à fort courant ondulé.

Figure 2 : Les condensateurs électrolytiques en aluminium 381LR sont répertoriés pour 200 à 450 VCC et 56 à 2200 µF. (Source de l'image : Jeff Shepard, d'après un document source de Cornell Dubilier Electronics)

Condensateurs à film pour commandes de traction automobiles

Si vous concevez des systèmes pour des environnements difficiles comme les commandes de traction automobiles, les condensateurs à film de liaison CC C4AK de KEMET, avec une durée de vie de 4000 heures à 125°C et de 1000 heures à 135°C, constituent une bonne option (Figure 3). Conçus pour des systèmes compacts, ces dispositifs présentent un format de boîtier radial pour un montage sur circuit imprimé avec un profil extra-plat et permettent l'utilisation d'un nombre inférieur de condensateurs en parallèle pour gérer le courant de crête et le courant ondulé.

Figure 3 : Les condensateurs à film de liaison CC série C4AK de KEMET présentent une durée de vie de 4000 heures à 125°C et de 1000 heures à 135°C. (Source de l'image : KEMET)

Les condensateurs de liaison CC C4AK sont conçus pour une utilisation dans les convertisseurs de puissance de système de véhicule électrique à fort courant et haute fréquence, les onduleurs photovoltaïques et à pile à combustible, les systèmes de stockage d'énergie, le transfert de puissance sans fil et d'autres applications industrielles.

Condensateurs MLCC pour semi-conducteurs à large bande interdite

Lors de l'utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite, la gamme CeraLink FA (assemblage flexible) de TDK Corporation peut constituer une solution appropriée. La gamme inclut des valeurs de capacité de 0,25 µF à 10 µF et des tensions nominales de 500 VCC à 900 VCC. Par exemple, le B58035U9255M001 est répertorié à 2,5 µF et 900 V (Figure 4). Les divers dispositifs de la gamme CeraLink sont optimisés pour une utilisation en tant que condensateurs de liaison CC, avec notamment les fonctionnalités suivantes :

• Densités de capacité de 2 à 5 µF par centimètre cube (cm³)
• Faible inductance propre de 2,5 à 4 nanohenrys (nH)
• Possibilité d'être placés très près du dispositif de puissance à semi-conducteurs avec un fonctionnement jusqu'à 150°C possible (pendant une durée limitée)
• Aucune limitation de la vitesse de balayage de tension (dV/dt)

Figure 4 : Le B58035U9255M001 fait partie de la gamme CeraLink FA de TDK Corporation, un ensemble de condensateurs MLCC de 2,5 µF et 900 V. (Source de l'image : TDK Corporation)

Les condensateurs de la gamme FA mesurent 9,1 millimètres (mm) de large sur 7,4 mm de haut et ils sont disponibles en longueurs de 6,3 mm, 9,3 mm et 30,3 mm. Ils présentent une tenue en courant ondulé atteignant 47 ampères (A) RMS.

Conclusion

La spécification d'un condensateur de liaison CC est une étape importante lors de la conception de convertisseurs de puissance. Comme illustré, il existe un large éventail d'options possibles, susceptibles d'évoluer. Un choix inapproprié peut aboutir à un convertisseur de puissance qui ne répond pas aux attentes ou qui est trop cher. Pour éviter de faire un mauvais choix, vous devez rester informé des derniers développements liés aux produits et aux technologies de condensateurs de liaison CC.