Capacitores eletrolíticos de alumínio para link DC em on

O capacitor do barramento CC não precisa apenas atender aos requisitos de capacitância do sistema, mas também deve suportar as correntes de ondulação continuamente crescentes, pois as densidades de energia dos OBCs estão aumentando constantemente. Como resultado, aparecem maiores perdas de energia que aquecem todo o sistema, o que pode causar degradação do desempenho e vida útil reduzida. Portanto, ser competitivo inevitavelmente requer um sistema de refrigeração que também esteja conectado aos capacitores do barramento CC. Para atender a esses requisitos, a TDK desenvolveu a nova série B43652* de tamanho grande para aplicações OBC que é otimizada para resfriamento de base e combina perfeitamente todas as características mencionadas acima.

A escolha correta do capacitor do barramento CC depende de vários parâmetros. A tensão nominal (VR) resulta da tensão de operação do OBC e deve abranger a média mais a tensão de ondulação de pico. Para sistemas >500 V, capacitores conectados em série podem ser considerados. A corrente de ondulação nominal IR, a vida útil necessária e a faixa de temperatura operacional surgem do perfil de missão do OBC. A faixa de temperatura operacional deve cobrir as temperaturas ambiente esperadas durante toda a vida útil. Enquanto alguns requisitos são dados e dificilmente podem ser alterados, algumas características podem ser otimizadas pelo fornecedor ou pelo cliente. A vida útil de um capacitor eletrolítico de alumínio é influenciada principalmente por sua temperatura central. De um modo geral, altas correntes de ondulação e aumento da temperatura ambiente aquecem significativamente o capacitor e, portanto, reduzem a vida útil. Com base na equação de Arrhenius como regra geral, pode-se considerar uma redução de vida útil de 50% ao aumentar a temperatura do núcleo em 10 K. Para reduzir as temperaturas do núcleo sob as mesmas condições de carga, o ESR do componente pode ser reduzido e a temperatura gerenciamento pode ser otimizado. Com a série B43652*, a TDK desenvolveu um capacitor de grande porte que possui um ESR muito baixo e uma resistência térmica interna aprimorada durante toda a vida útil. Com um sistema de resfriamento externo que fornece uma transferência de calor eficiente entre o fundo da lata do capacitor e o dissipador de calor, os clientes podem obter o máximo desses capacitores, ou seja, uma alta capacidade de corrente de ondulação para uma vida útil significativamente maior. Do ponto de vista econômico, essas otimizações são sempre preferidas em comparação com o uso de mais capacitores em paralelo ou projetos de capacitores com vida útil nominal mais longa.

O interior de um capacitor eletrolítico de alumínio contém um elemento de enrolamento que naturalmente possui uma condutividade térmica muito maior na direção axial do que na direção radial. Para obter uma opção de resfriamento de base, essa condutividade térmica na direção axial foi aprimorada ainda mais para a série B43652. Um contato direto de metal entre o elemento de enrolamento e o fundo da lata diminui a resistência térmica do ponto de acesso à lata e a estabilidade aprimorada do próprio fundo da lata evita o abaulamento ao longo da vida útil que prejudicaria essa conexão térmica. Como o lado inferior do capacitor geralmente contém uma abertura de alívio de pressão que um dissipador de calor bloquearia, ele foi deslocado para a parede lateral do capacitor. No geral, a nova série B43652 de TDK é um capacitor de grande porte com ventilação lateral voltado para aplicações OBC com uma opção de resfriamento de base.

A melhoria dessas alterações de projeto pode ser vista na Figura 4. Para um capacitor padrão de 35 x 40 mm, a resistência térmica interna na direção axial é de 4,49 K/W, enquanto é reduzida para 0,6 K/W para o projeto de ventilação lateral aprimorado da série B43652. A resistência térmica geral do núcleo ao ambiente também é reduzida em 20% de 15,1 K/W para 12 K/W devido ao contato de metal entre o elemento de enrolamento e o fundo da lata.

Na Figura 5, é apresentada uma comparação das simulações térmicas (temperatura e fluxo de calor) do projeto ventilado inferior com conexão natural (esquerda) e do projeto ventilado lateral com resfriamento de base (direita). Ao aplicar 1 W por capacitor a 85 °C de temperatura ambiente, uma temperatura central de 106 a 109 °C é alcançada para a versão não resfriada. Olhando para o mesmo cenário com o design lateral ventilado e um resfriamento de base, considerando uma temperatura do dissipador de 85 °C, a temperatura do núcleo dos capacitores é aumentada apenas em 3 K para 88 °C. Isso é aproximadamente 20 K mais baixo do que o projeto sem refrigeração e significa um aumento de vida útil de aproximadamente 200%. Comparando as simulações de fluxo de calor, é visível que o cenário de base refrigerada transfere calor principalmente pelo fundo da lata. Pode-se observar um gradiente na direção axial, apresentando fraca transferência de calor no lado da placa de circuito impresso e forte transferência de calor no lado inferior. A versão não refrigerada apresenta um gradiente na outra direção, a transferência de calor ocorre principalmente na direção do PCB. Portanto, o projeto não refrigerado mostra um fluxo de calor fraco através do lado inferior e, além disso, também um fluxo de calor assimétrico para os capacitores centrais. Além disso, enquanto a versão não refrigerada exibe uma dispersão nas temperaturas do núcleo, o que significa uma assimetria térmica com capacitores centrais com temperaturas de núcleo mais altas, a versão refrigerada na base não apresenta tal dispersão, resultando em um risco de agravamento significativamente reduzido.