Condensadores electrolíticos de aluminio para DC link in on

El capacitor de enlace de CC no solo tiene que cumplir con los requisitos de capacitancia del sistema, sino que también debe soportar las corrientes de ondulación en continuo aumento, ya que las densidades de potencia de los OBC aumentan constantemente. Como resultado, aparecen mayores pérdidas de energía que calientan todo el sistema, lo que puede provocar una degradación del rendimiento y una reducción de la vida útil. Por lo tanto, ser competitivo requiere inevitablemente un sistema de refrigeración que también esté conectado a los condensadores del enlace de CC. Para cubrir estos requisitos, TDK desarrolló la nueva serie de gran tamaño B43652* para aplicaciones OBC que está optimizada para refrigeración de base y combina a la perfección todas las características mencionadas anteriormente.

La elección correcta del condensador del enlace de CC depende de varios parámetros. El voltaje nominal (VR) resulta del voltaje de operación del OBC y debe cubrir el voltaje de ondulación promedio más pico. Para sistemas >500 V, se pueden considerar condensadores conectados en serie. La corriente de ondulación nominal IR, la vida útil requerida y el rango de temperatura de funcionamiento surgen del perfil de misión del OBC. El rango de temperatura de funcionamiento debe cubrir las temperaturas ambiente esperadas durante toda la vida útil. Si bien se dan algunos requisitos y difícilmente se pueden cambiar, el proveedor o el cliente pueden optimizar algunas características. La vida útil de un condensador electrolítico de aluminio está influenciada principalmente por su temperatura central. En general, las altas corrientes de ondulación y el aumento de la temperatura ambiente calientan significativamente el capacitor y, por lo tanto, reducen la vida útil. Basándose en la ecuación de Arrhenius como regla general, se puede considerar una reducción de la vida útil del 50 % al aumentar la temperatura del núcleo en 10 K. Para reducir las temperaturas del núcleo en las mismas condiciones de carga, se puede reducir la ESR del componente y la temperatura térmica. Se puede optimizar la gestión. Con la serie B43652*, TDK desarrolló un capacitor de gran tamaño que tiene una ESR muy baja y una resistencia térmica interna mejorada durante toda su vida útil. Con un sistema de refrigeración externo que proporciona una transferencia de calor eficiente entre la parte inferior de la lata del condensador y el disipador de calor, los clientes pueden sacar el máximo partido de estos condensadores, es decir, una alta capacidad de corriente de ondulación para una vida útil significativamente mayor. Desde un punto de vista económico, tales optimizaciones siempre son preferibles en comparación con el uso de más condensadores en paralelo o diseños de condensadores con una vida útil nominal más larga.

El interior de un condensador electrolítico de aluminio contiene un elemento de bobinado que, naturalmente, tiene una conductividad térmica mucho más alta en la dirección axial que en la radial. Para obtener una opción de enfriamiento base, esta conductividad térmica en la dirección axial se mejoró aún más para la serie B43652. Un contacto metálico directo entre el elemento de bobinado y el fondo de la lata disminuye la resistencia térmica desde el punto de acceso a la lata y la estabilidad mejorada del fondo de la lata evita que se abulte durante la vida útil que podría afectar esta conexión térmica. Como la parte inferior del capacitor generalmente contiene una ventilación de alivio de presión que un disipador de calor bloquearía, se desplazó a la pared lateral del capacitor. En general, la nueva serie B43652 de TDK es un condensador de gran tamaño con ventilación lateral destinado a aplicaciones OBC con una opción de enfriamiento de base.

La mejora de estos cambios de diseño se puede ver en la Figura 4. Para un condensador estándar de 35 x 40 mm, la resistencia térmica interna en la dirección axial es de 4,49 K/W, mientras que se reduce a 0,6 K/W para el diseño mejorado de ventilación lateral. de la serie B43652. La resistencia térmica general del núcleo al ambiente también se reduce en un 20% de 15,1 K/W a 12 K/W debido al contacto metálico entre el elemento de bobinado y el fondo de la lata.

En la Figura 5, se presenta una comparación de simulaciones térmicas (temperatura y flujo de calor) del diseño de ventilación inferior con conexión natural (izquierda) y el diseño de ventilación lateral con refrigeración de base (derecha). Al aplicar 1 W por capacitor a una temperatura ambiente de 85 °C, se alcanza una temperatura central de 106 a 109 °C para la versión no refrigerada. Mirando el mismo escenario con el diseño de ventilación lateral y un enfriamiento base, considerando una temperatura del disipador de calor de 85 °C, la temperatura central de los capacitores aumenta solo en 3 K a 88 °C. Esto es aproximadamente 20 K más bajo que el diseño sin refrigeración y significa un aumento de la vida útil de aproximadamente el 200 %. Comparando las simulaciones de flujo de calor, es visible que el escenario enfriado por la base transfiere calor principalmente a través del fondo de la lata. Se puede observar un gradiente en la dirección axial, presentando una transferencia de calor débil en el lado del PCB y una transferencia de calor fuerte en el lado inferior. La versión no enfriada presenta un gradiente en la otra dirección, la transferencia de calor ocurre principalmente en la dirección de la PCB. Por lo tanto, el diseño no refrigerado muestra un flujo de calor débil a través del lado inferior y, además, un flujo de calor asimétrico para los condensadores centrales. Además, mientras que la versión no enfriada muestra una dispersión entre las temperaturas centrales, lo que significa una asimetría térmica con capacitores centrales que tienen temperaturas centrales más altas, la versión con base enfriada no tiene tal dispersión, lo que resulta en un riesgo de escalada significativamente reducido.

Las mejoras generales que se pueden lograr en una aplicación OBC se presentan en la Figura 6. Al comparar dos capacitores B43652 del mismo tamaño, voltaje nominal y capacitancia nominal, el capacitor enfriado por la base puede soportar un 85 % más de corriente de ondulación que el mismo diseño con solo convección natural. Mientras que el condensador con convección natural alcanza una corriente de ondulación máxima IAC, máx. de 6,11 A, la versión con refrigeración por base alcanza los 11,28 A. Además, para las mismas condiciones de carga, dos condensadores con refrigeración por base pueden soportar el perfil de la misión casi dos veces más que cuatro capacitores no enfriados. En base a estos resultados, es claramente evidente que los capacitores de gran tamaño de la serie B43652* de TDK están optimizados para aplicaciones OBC con una opción de enfriamiento base y pueden reducir significativamente la cantidad de piezas en el banco de capacitores del enlace de CC , lo que hace que esta serie sea interesante no solo técnicamente sino también económicamente.

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