Cuantificando la corriente de rizado
La corriente de rizado para un condensador DC-link es difícil de cuantificar.
El valor depende de las condiciones operativas y sumar el valor total absorbido de la etapa PFC y generado a la etapa CC-CC no resulta sencillo. Si las etapas no están sincronizadas o alguna de ellas tiene una frecuencia variable es aún más difícil de identificar.
Se pueden utilizar simulaciones y medidas de banco de pruebas, pero solo como una aproximación. Para un DC-link a 650 V y carga de 30 kW, la corriente media es de unos 50 A, contribuyendo a la llegada de ineficiencias. Para un ciclo CC-CC del 80 por ciento, se sitúa en unos 25 Arms que provienen del condensador asumiendo una onda cuadrada. Con una frecuencia de conmutación de 100 kHz y un rizado de 10 Vrms, sólo se necesitarían unos 4 µF si domina la impedancia capacitiva. Si la ESR del condensador fuera de 10 mΩ, sería posible añadir 0,25 V rms de rizado extra. Podríamos suponer que el rizado de la etapa PFC es del mismo orden.
A pesar de estas suposiciones “brutas”, todo indica que sólo se necesitarían unas pocas decenas de µF y los condensadores de película se vuelven prácticos si se conectan varios en paralelo para lograr la capacidad de corriente de rizado. Por ejemplo, cuatro condensadores de polipropileno metalizado de 20 µF/700 V en paralelo pueden gestionar un rizado total de 62,5 Arms con una ESR total de menos de 1 mΩ, dando una disipación total de menos de 4 W con una corriente de rizado de 50 Arms. El volumen total es de 139 cm³ (8.5 pulgadas cúbicas).
Soluciones con componentes pasivos
Una solución de condensador electrolítico de aluminio (para una capacidad de corriente de rizado similar) se podría ensamblar a partir de diez componentes pasivos de 2.700 µF/400 V, en una disposición de cinco en paralelo y dos en serie, con una corriente de rizado de unos 85 A (10 kHz) y una ESR de alrededor de 8 mΩ. Con una corriente de rizado de 50 A, esto podría dar unos 20 W de disipación total.
La tensión de rizado es mucho menor que la de una alternativa de condensador de película, debido a la menor impedancia capacitiva, pero el volumen total sería de 2.060 cm³ (125 pulgadas cúbicas) o casi quince veces más grande. Otras ventajas de los condensadores de película incluyen una ESL particularmente baja de unas pocas decenas de nH, añadiendo sólo alrededor de un voltio a la forma de onda de la tensión de rizado.
Comparando una solución MLCC típica, tres unidades en paralelo podrían ofrecer un rizado de 50 Arms y una capacidad adecuada para un rizado de menos de 10 Vrms. La ESR total podría ser de unos 2 mΩ y la disipación total rondaría los 3 W. Los valores bajos de ESR y ESL se mantienen a una frecuencia de, al menos, 1 MHz. Esto hace que un MLCC sea un buen candidato para sistemas de conmutación rápida donde el valor de la capacidad es menos importante. No obstante, la ESR y la capacidad varían bastante con la temperatura y la tensión de polarización. Generalmente, tres módulos sólo ocuparían 13,25 cm³ (0.8 pulgadas cúbicas).
El precio indicativo por volumen muestra que cuatro de los componentes de película costarían alrededor de una cuarta parte del precio de diez electrolíticos AL, mientras que tres módulos MLCC tendrían la mitad del precio de diez condensadores electrolíticos de aluminio. En la práctica, la limitación se aplicará a condensadores de cualquier tipo, requiriendo más componentes en paralelo. Esto puede aplicarse más a los electrolíticos. En este caso, la diferencia se vuelve aún más sorprendente. La tabla, a continuación, muestra dicha diferencia en el rendimiento principal de los condensadores de película, MLCC y condensadores electrolíticos de aluminio.
