Conseils sur la conception DC-Link
Conseils sur la conception DC-LinkDate de publication: 07-01-2021 🕒 7 min de lecture
- Pourquoi le condensateur DC-Link est-il tellement important
- Considérations de conception lors de la sélection d’un condensateur DC-Link pour l’onduleur
- Condensateurs pour les conceptions d’onduleurs exigeantes
Les condensateurs DC-Link constituent une étape essentielle dans la conversion de puissance dans de nombreuses applications, y compris dans les onduleurs PWM triphasés (pour le contrôle de la modulation de largeur d’impulsion), les onduleurs photovoltaïques et éoliens, les moteurs industriels, les chargeurs de voiture et les onduleurs montés sur véhicule (Fig.1), alimentations pour équipements médicaux, etc. Les applications exigeantes se caractérisent par des coûts, des conditions environnementales difficiles et des exigences de fiabilité strictes. Bien que dans la conception de circuits diverses technologies puissent être utilisées, les condensateurs DC-Link sont utilisés depuis des années. Les condensateurs DC-Link peuvent améliorer la densité de puissance dans le système et résoudre les problèmes physiques liés à l’ondulation de commutation à grande vitesse inhérente à la conversion de puissance. Quel type de condensateur fonctionne le mieux en tant que condensateurs DC-Link et pourquoi ?
Figure 1 : Les condensateurs DC-Link constituent la base pour la conception de systèmes de conversion de puissance pour de nombreuses applications d’onduleurs, y compris les véhicules hybrides et électriques. Selon JP Morgan Chase and Company, d’ici 2025, la part combinée des véhicules hybrides et électriques dans les ventes totales de véhicules augmentera à environ 30%. (Source de l’image : afdc.energy.gov)
L’industrie automobile est un excellent exemple d’utilisation de la conversion de puissance dans un système de propulsion hybride et électrique. Les véhicules électriques équipés de batteries ont un ensemble de cellules de stockage d’énergie pour le système d’entraînement, un moteur d’entraînement électrique et un contrôleur de puissance équipé d’un onduleur. Tous ces appareils fonctionnent à des tensions élevées, de 48 VDC à même 800 VDC. En raison des limitations physiques liées à la limitation du courant, la haute tension est en corrélation avec un rendement élevé. Lorsque la tension continue de fonctionnement est plus élevée, le courant nécessaire pour la même puissance de sortie (P=VI) est plus bas. L’industrie automobile est bien connue à cause du fait qu’elle exige des composants qui peuvent fonctionner de manière fiable à des températures extrêmement élevées, dans des conditions de vibrations constantes et où ils sont exposés à des conditions environnementales difficiles. L’onduleur de traction triphasé convertit l’énergie de la cellule vers l’entraînement du moteur, et dans cette conception un condensateur DC-Link est très important.
Contrairement aux voitures jouets, les véhicules électriques ne fonctionnent pas en profitant directement de l’énergie stockée dans la batterie. La conversion est nécessaire. L’onduleur triphasé pour véhicule hybride / électrique (HEV/EV) comprend les phases suivantes :
- Phase I, entrée, qui émet la tension continue de la batterie.
- Phase II, qui commence la conversion en utilisant le condensateur DC-Link qui filtre et adoucit la tension continu sur les bus DC
- Phase III, qui démarre la conversion via une fréquence de commutation élevée (avec une sortie de type redresseur-bus) et fournit une puissance convertie à la charge parce que la charge crée une demande immédiate
Pourquoi le condensateur DC-Link est tellement important
Le condensateur de courant continu doit compenser les fluctuations de la puissance instantanée sur les rails de courant par l’activité de la 1ère et de la 3ème phase. Le condensateur DC-Link stabilise l’ « ondulation » générée par les circuits de commutation haute fréquence présents en phase III. Le courant / la tension d’ondulation (spécifié à une fréquence et une température données) est une valeur RMS totale du courant alternatif et continu qui peut être supporté par un condensateur sans défaillance.
Comment calculer la capacité nécessaire pour adoucir les pointes de tension ?
Le condensateur DC-Link (qui est localisé à la IIe phase) doit stabiliser et adoucir la tension et le courant sur les rails (c’est-à-dire déconnecter les pointes causées par la commutation). La présente équation peut être utilisée pourcalculer la capacité minimale requise et la tension d’ondulation :
où Cmin = capacité minimale requise, Iout = courant de sortie, dc = rapport cyclique, fSW = fréquence de commutation , VP(max) = tension d’ondulation.
Considération de conception lors de la sélection du condensateur DC-Link pour l’onduleur
Le condensateur DC-Link est conçu pour stabiliser la tension continue, en limitant ses fluctuations, parce que de temps en temps l’onduleur nécessite un courant élevé. La conception du condensateur DC-Link peut utiliser différentes technologies. Il existe sur le marché des condensateurs électrolytiques en aluminium, à film et céramiques. Le choix n’est pas facile et dépend surtout de l’application prévue.
La sélection du condensateur DC-Link approprié commence par la comparaison des valeurs nominales de la capacité et de la tension qui se traduisent par une demande d’énergie connue, tout en recherchant des valeurs de tension d’ondulation élevées. L’ondulation dans les nœuds DC-Link, principalement générée par la commutation de la IIIe phase extrêmement rapide des IGBT ou des MOSFET, affecte le rendement parce que chaque condensateur a une certaine impédance (et une inductance propre). Le condensateur DC-Link doit réguler la tension et absorber l’ondulation du courant.
L’ondulation change le niveau de tension qui se produit dans le condensateur DC-Link, tandis que l’ondulation du courant de commutation se déplace à travers le condensateur (V=IR). Il est également nécessaire de prendre en considération les fréquences de commutation de l’onduleur que le condensateur DC-Link doit tolérer. Par exemple, les condensateurs à film ne fonctionneront pas correctement si la fréquence de commutation est supérieure à 1 MHz. Parmi d’autres considérations lors du choix d’un condensateur DC-Link il y a la connaissance de la tension DC requise sur les rails, la durée de vie prévue de l’appareil, le courant et la fréquence maximum possibles des ondulations qui se produiront dans le système ainsi que le fait si le courant d’ondulation généré a une caractéristique constante ou intermittente.
Les spécifications techniques des meilleurs condensateurs DC-Link devraient se caractériser par une faible inductance propre, une résistance série équivalente très faible (ESR) et une tolérance d’ondulation de courant élevée, le tout à des températures et des fréquences de fonctionnement comparables (ESR d’un condensateur est la résistance interne totale déterminée à une fréquence donnée et température). Le niveau d’ESR le plus bas possible réduit au minimum le dégagement de chaleur sous forme de puissance dissipée (PDiffusée =I2 x ESR). Cependant dans un bilan général cela signifie que pour les condensateurs à film DC-Link, l’ESR est beaucoup plus faible, tout en fournissant également une bonne tension capacitive (CV), ce qui produit généralement une bien meilleure réponse au courant d’ondulation.
Les condensateurs à film DC-Link offrent une tension d’ondulation élevée et une durée de vie plus longue que les condensateurs électrolytiques, tout en garantissant une capacité plus élevée que les condensateurs en céramique. Cependant, la caractéristique de tension d’ondulation réellement requise est difficile à prévoir et elle varie avec la fréquence de commutation et les harmoniques de courant générées par les phases d’entrée et de sortie (c’est-à-dire la Ière et la IIIe phase). Le condensateur DC-Link est un élément qui réduit ou génère des courants appropriés. D’autres solutions peuvent avoir une forme d’onde de courant de forme plus triangulaire.
En général, les valeurs de capacité nominale peuvent changer en raison des changements de température ambiante de fonctionnement ou des changements de la tension et de la fréquence appliquées. Autres variables qu’il est nécessaire de prendre en compte : l’auto-inductance peut réduire considérablement l’impédance effective d’un condensateur à hautes fréquences, en modifiant ainsi le comportement attendu du condensateur. Quel que soit le type de condensateur sélectionné, les suppresseurs de bruit tels que KEMET Flex Suppressors® peuvent aider à réduire le bruit haute fréquence généré par l’environnement environnant.
De plus,l’ESR d’un condensateur est souvent le facteur limitant la valeur de la tension d’ondulation (c’est-à-dire la tension d’ondulation que le condensateur peut supporter sans surchauffe). Afin d’obtenir une faible ESR souhaitée et une longue durée de vie de dissipation, les condensateurs à film atteignent des dimensions physiques qui amènent souvent un tel condensateur à atteindre ou dépasser les caractéristiques de tension d’ondulation ou de temps de maintien.
Et finalement, il faut mentionner que dans toute conception à haute puissance, il faut considérer si un refroidissement est assuré et si oui, c’est un refroidissement de quel type ? Le profil de température ambiante est important pour garantir une attention particulière au choix du meilleur condensateur DC-Link.
Condensateurs pour les conceptions d’onduleurs exigeantes
Sur le marché il y a plusieurs types de condensateurs. Toutefois, il n’est pas possible d’utiliser tous aux onduleurs haute tension. La sélection de condensateurs céramiques multicouches appropriés avec les caractéristiques de tension, température et fiabilité souhaitées est assez limitée. Les condensateurs électrolytiques conviennent aux applications DC-Link. Malheureusement, tous les condensateurs électrolytiques ne fonctionneront pas bien dans ce type d’application. Les condensateurs à film traditionnels ont toujours été limités par les basses températures de fonctionnement, mais la technologie a progressé plus rapidement que les condensateurs électrolytiques. Les condensateurs à film les plus modernes, tels que C4AE de KEMET, peuvent offrir de meilleures performances de conception. Les condensateurs à film métallisé sont plus petits que les condensateurs électrolytiques tout en offrant des fonctionnalités similaires. Alors que la stabilité de tension peut être obtenue en utilisant un grand condensateur électrolytique, des composants de grande taille réduiraient la densité de puissance d’un onduleur automobile, par exemple. La taille et le poids des composants affectent les performances globales et la valeur de votre véhicule.
Les condensateurs à film ont également une durée de vie plus longue par rapport aux condensateurs électrolytiques, principalement en raison de leur construction qui comprend des couches métalliques déposées sur le matériau du substrat par vaporisation. En raison du niveau élevé d’énergie stockée entre les couches métalliques ultralégères, le court-circuit interne peut être auto-corrigé naturellement, car les petits défauts corrigent en quelques microsecondes sans changement notable de performances. Les condensateurs à film conviennent également pour les applications à haute tension à impulsions et à des problèmes de sécurité correspondants car ils peuvent résister à des surtensions et des transitoires soudains. Les condensateurs à film ne sont pas polarisés, ils peuvent avoir une durée de vie plus longue (en outre prolongée en abaissant les valeurs nominales), une capacité de courant accrue, ils assurent un fonctionnement stable dans une plage de température plus large et offrent une meilleure stabilité mécanique que les condensateurs électrolytiques**. Parmi les avantages supplémentaires il y a une large gamme de méthodes de montage de condensateurs à feuille. Ce qui est particulièrement important pour les applications dans les véhicules hybrides et électriques, les condensateurs à feuille solide fonctionnent avec des jeux de barres avec une tension supérieure à 500VDC.
Les condensateurs à film KEMET C4AQ sont un bon exemple de condensateurs à film adaptés aux véhicules hybrides et électriques qui répondent aux exigences de la norme AEC-Q200 pour les applications automobiles et présentent des avantages significatifs en termes d’architecture DC-Link. Comme mentionné ci-dessus, les condensateurs C4AQ de KEMET présentent tous les excellents avantages attribués aux condensateurs à film. Les condensateurs d’alimentation à film KEMET C4AE, sont une solution alternative car ils sont similaires aux condensateurs de la série C4AQ, mais ils ne doivent pas à être utilisés dans l’industrie automobile. D’autres condensateurs convenant aux applications DC-Link non automobiles incluent le modèle CKC Ceramic KC-LINK et les condensateurs à film avec boîte C44U et C4DE.
La supervision du fonctionnement peut être essentielle pour le bon fonctionnement des onduleurs haute puissance. Il est nécessaire de mentionner que les capteurs de courant fort de la série KEMET CT permettent de mesurer le courant en temps réel dans un conducteur sous tension. Comme indiqué ci-dessus, le choix d’un bon condensateur DC-Link peut être un processus difficile mais extrêmement important. La société KEMET, avec TME, propose les produits et l’assistance dont vous avez besoin pour améliorer ce processus.
