Condensatori elettrolitici in alluminio per collegamento DC in on

Il condensatore del circuito intermedio non deve solo soddisfare i requisiti di capacità del sistema, ma deve anche resistere alle correnti di ripple in costante aumento poiché le densità di potenza degli OBC sono in costante aumento. Di conseguenza, si verificano perdite di potenza più elevate che riscaldano l'intero sistema, causando un degrado delle prestazioni e una durata ridotta. Pertanto, essere competitivi richiede inevitabilmente un sistema di raffreddamento collegato anche ai condensatori del circuito intermedio. Per soddisfare questi requisiti, TDK ha sviluppato la nuova serie di grandi dimensioni B43652* per applicazioni OBC, ottimizzata per il raffreddamento della base e che combina perfettamente tutte le caratteristiche sopra menzionate.

La scelta giusta del condensatore del collegamento CC dipende da diversi parametri. La tensione nominale (VR) risulta dalla tensione operativa dell'OBC e deve coprire la tensione media più l'ondulazione di picco. Per sistemi >500 V, è possibile prendere in considerazione condensatori collegati in serie. La corrente di ripple nominale IR, la durata richiesta e l'intervallo di temperatura operativa derivano dal profilo di missione dell'OBC. L'intervallo della temperatura operativa deve coprire le temperature ambiente previste per l'intera durata di servizio. Mentre alcuni requisiti sono dati e difficilmente possono essere modificati, alcune caratteristiche possono essere ottimizzate sia dal fornitore che dal cliente. La durata di un condensatore elettrolitico in alluminio è influenzata principalmente dalla sua temperatura interna. In generale, elevate correnti di ripple e temperature ambiente elevate riscaldano notevolmente il condensatore e quindi ne riducono la durata. In base all'equazione di Arrhenius come regola pratica, si può considerare una riduzione della durata del 50% quando si aumenta la temperatura interna di 10 K. Per ridurre le temperature interne alle stesse condizioni di carico, è possibile ridurre l'ESR del componente e la temperatura interna la gestione può essere ottimizzata. Con la serie B43652*, TDK ha sviluppato un condensatore di grandi dimensioni che presenta sia una ESR molto bassa che una resistenza termica interna migliorata per tutta la sua durata. Con un sistema di raffreddamento esterno che fornisce un efficiente trasferimento di calore tra il fondo del contenitore del condensatore e il dissipatore di calore, i clienti possono ottenere il massimo da questi condensatori, ovvero un'elevata capacità di corrente di ripple per una durata notevolmente maggiore. Da un punto di vista economico, tali ottimizzazioni sono sempre da preferire rispetto all'utilizzo di più condensatori in parallelo o di progetti di condensatori con durata nominale più lunga.

L'interno di un condensatore elettrolitico in alluminio contiene un elemento di avvolgimento che ha naturalmente una conduttività termica molto più elevata in direzione assiale che in direzione radiale. Per ottenere un'opzione di raffreddamento della base, questa conduttività termica in direzione assiale è stata ulteriormente migliorata per la serie B43652. Un contatto metallico diretto tra l'elemento di avvolgimento e il fondo della lattina diminuisce la resistenza termica dal punto caldo alla lattina e la stabilità migliorata del fondo della lattina stessa evita rigonfiamenti nel corso della vita che comprometterebbero questa connessione termica. Poiché il lato inferiore del condensatore solitamente contiene uno sfiato di scarico della pressione che un dissipatore di calore bloccherebbe, è stato spostato sulla parete laterale del condensatore. Nel complesso, la nuova serie B43652 di TDK è un condensatore di grandi dimensioni con ventilazione laterale destinato ad applicazioni OBC con un'opzione di raffreddamento della base.

Il miglioramento di queste modifiche al design può essere visto nella Figura 4. Per un condensatore standard da 35 x 40 mm la resistenza termica interna nella direzione assiale è 4,49 K/W mentre è ridotta a 0,6 K/W per il design migliorato con ventilazione laterale della serie B43652. Anche la resistenza termica complessiva dal nucleo all'ambiente è ridotta del 20% da 15,1 K/W a 12 K/W a causa del contatto metallico tra l'elemento di avvolgimento e il fondo della lattina.

Nella Figura 5 viene presentato un confronto tra le simulazioni termiche (temperatura e flusso di calore) del design con ventilazione dal basso con connessione naturale (a sinistra) e del design con ventilazione laterale con raffreddamento della base (a destra). Applicando 1 W per condensatore a una temperatura ambiente di 85 °C, per la versione non raffreddata viene raggiunta una temperatura interna compresa tra 106 e 109 °C. Osservando lo stesso scenario con design con ventilazione laterale e raffreddamento della base, considerando una temperatura del dissipatore di 85 °C, la temperatura interna dei condensatori aumenta solo di 3 K arrivando a 88 °C. Si tratta di un valore inferiore di circa 20 K rispetto al modello non raffreddato e significa un aumento della durata di circa il 200%. Confrontando le simulazioni del flusso di calore, è visibile che lo scenario con raffreddamento alla base trasferisce il calore principalmente attraverso il fondo della lattina. Si può notare un gradiente nella direzione assiale, che presenta un debole trasferimento di calore sul lato PCB e un forte trasferimento di calore sul lato inferiore. La versione non raffreddata presenta un gradiente nella direzione opposta, il trasferimento di calore avviene principalmente in direzione del PCB. Quindi, il design non raffreddato mostra un debole flusso di calore attraverso il lato inferiore e oltre a questo anche un flusso di calore asimmetrico per i condensatori centrali. Inoltre, mentre la versione non raffreddata mostra una diffusione tra le temperature interne, il che significa un'asimmetria termica con condensatori centrali che hanno temperature interne più elevate, la versione con raffreddamento base non presenta tale diffusione, con un conseguente rischio di escalation significativamente ridotto.