Condensateurs utilisés en électronique de puissance

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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 280 − 1
D 3 280 12 - 1995
Condensateurs utilisés
en électronique de puissance
par Gérard MOURIÈS
Ingénieur de l’École Française de Radioélectricité
Responsable Qualité Ligne de Produits Puissance à LCC
Compagnie européenne de Composants Électroniques
es conditions de fonctionnement des condensateurs employés dans les
circuits de l’électronique de puissance sont tout à fait opposées à celles
auxquelles répondent les condensateurs habituellement utilisés dans les réseaux
industriels. Dans le paragraphe 1, nous verrons les particularités d’utilisation de
ces condensateurs. Dans le paragraphe 2, nous étudierons les technologies
utilisées, ainsi que les matériaux employés et les réalisations. Les emplois et
spécifications de ces condensateurs seront développés dans le paragraphe 3.
1. Particularités de ces condensateurs .................................................. D 3 280 - 2
1.1 Généralités. Schéma équivalent................................................................. — 2
1.2 Contraintes................................................................................................... — 2
1.3 Limitations.................................................................................................... — 2
1.4 Inductance série........................................................................................... — 3
1.5 Résumé......................................................................................................... — 3
2. Technologies utilisées ............................................................................ — 4
2.1 Familles technologiques ............................................................................. — 4
2.2 Diélectriques ................................................................................................ — 4
2.3 Réalisations de condensateurs................................................................... — 8
2.4 Condensateurs au papier............................................................................ — 10
2.5 Condensateurs à diélectrique plastique .................................................... — 10
2.6 Condensateur électrolytique....................................................................... — 12
2.7 Boîtiers et refroidissement.......................................................................... — 14
2.8 Coût relatif des différents types de condensateurs .................................. — 14
3. Emplois et spécifications....................................................................... — 15
3.1 Généralités ................................................................................................... — 15
3.2 Condensateurs de filtrage des redresseurs à fréquence industrielle...... — 18
3.3 Condensateurs de découplage................................................................... — 19
3.4 Condensateurs de commutation................................................................ — 19
3.5 Condensateurs de résonance ..................................................................... — 20
3.6 Condensateurs d’aide à la commutation des semiconducteurs.............. — 20
3.7 Condensateurs de stockage d’énergie....................................................... — 20
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 3 280
L

CONDENSATEURS UTILISÉS EN ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE _________________________________________________________________________________
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1. Particularités
de ces condensateurs
1.1 Généralités. Schéma équivalent
Les condensateurs utilisés en électronique pour relever le facteur
de puissance, démarrer les moteurs asynchrones monophasés, etc.,
répondent aux conditions d’utilisation suivantes :
— fonctionnement en régime quasi sinusoïdal et aux fréquences
industrielles (50 ou 60 Hz) ;
— absence de tension continue notable à leurs bornes.
Enfin, leur inductance résiduelle série n’est pas spécifiée ; sa valeur
peut être assez élevée sans conséquences importantes dans les
emplois précités.
■De telles conditions sont tout à fait opposées à celles offertes aux
condensateurs employés dans les circuits de l’électronique de
puissance. En effet, dans ces circuits :
— les courants ne sont pas sinusoïdaux, les résidus harmoniques
pouvant dépasser largement 60 % ; très fréquemment, ces courants
ont des allures impulsionnelles de formes diverses qui présentent
des vitesses de variation du courant (di/dt) dépassant largement
10 A/µs ; les fréquences fondamentales sont souvent importantes
(1 à 50 kHz) ;
— une tension continue permanente élevée est généralement
superposée à la composante alternative ou impulsionnelle ;
—l’inductance et la résistance résiduelles série doivent être aussi
faibles que possible.
■Le schéma équivalent d’un condensateur réel peut être mis sous
différentes formes. Nous adopterons celle de la figure 1a avec les
notations suivantes :
Ccondensateur parfait,
Lsinductance série,
Req résistance équivalente (figure 1b) utilisée pour la définition
des pertes totales du condensateur à une fréquence donnée,
Rfrésistance de fuites,
Rprésistance équivalente utilisée pour la définition des pertes
diélectriques,
Rsrésistance série.
1.2 Contraintes
Les contraintes appliquées aux condensateurs de l’électronique
de puissance sont très diverses. Chaque type d’utilisation nécessite
une étude et une technologie particulière ; c’est pourquoi les
condensateurs classiques pour réseaux industriels ne conviennent
que très rarement.
Choisir un condensateur, c’est résoudre trois problèmes
principaux liés au diélectrique, aux courants impulsionnels et à la
thermique.
■Problème diélectrique
Le vieillissement des diélectriques dépend de la forme d’onde de
la tension (continue, alternative, alternative et continue super-
posées), de sa fréquence et de ses harmoniques. La température
θ
et les régimes de surtensions sont des paramètres déterminants.
■Problème lié aux courants impulsionnels
Les courants de crête, s’ils sont d’amplitudes élevées, soumettent
les connexions et les liaisons internes à des forces qui peuvent
provoquer l’arrachement ou la rupture. Les condensateurs à
électrodes métallisées sont, par leur structure (§ 2.3.2), sensibles à
ce paramètre. Les constructeurs donnent les valeurs limites des
termes dv/dt ou, de façon plus pratique, I2t.
■Problème thermique
C’est le problème le plus important, car il détermine la fiabilité
du composant. Les calculs d’échauffement sont délicats et néces-
sitent une grande expérience.
Malheureusement, les diélectriques utilisés dans les condensa-
teurs sont relativement limités en température (
θ = 85 oC en général
contre 150 à 200 oC pour ceux utilisés dans les transformateurs ou
les moteurs). La durée de vie est une fonction exponentielle de ce
paramètre (par exemple, entre 70 et 85 oC, la durée de vie peut être
divisée par 10 ; cf., pour plus de détails, l’article Caractéristiques des
matériaux isolants solides [D 2 310], dans le présent traité).
Il est essentiel de connaître les caractéristiques thermiques du
condensateur, sa capacité d’échange avec le fluide refroidisseur et,
plus particulièrement, l’impédance thermique entre le point le plus
chaud du diélectrique et le boîtier (§ 2.7).
1.3 Limitations
■Les dispositifs d’électronique de puissance mettent en œuvre des
courants importants dont la fréquence est élevée et qui sont riches
en harmoniques (§ 1.1), ce qui complique l’évaluation des pertes.
On utilise les notations du schéma équivalent de la figure 1a.
●Les pertes Joule dans les connexions et les électrodes (Rs)
dépendent de la fréquence (effet de peau).
●Les pertes dissipées dans le diélectrique (Rp) sont le produit de
la puissance réactive (proportionnelle au carré de l’amplitude des
variations du champ électrique et à leur fréquence) par la tangente
de l’angle des pertes : tan
δ = C ω /Rp(1)
Cette dernière dépend, selon la nature du diélectrique, de la
tension, de la fréquence et de la température.
La résistance de fuites est, en général, très grande et son
influence est à négliger ; les constantes de temps d’auto-
décharge (Rf C ) sont souvent supérieures à 1 000 s.
Figure 1 – Condensateur de puissance : schéma équivalent

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●Il faut, enfin, ajouter les pertes électromagnétiques dues aux
courants de Foucault dans le boîtier métallique, ce qui impose,
souvent, l’utilisation de métaux amagnétiques, tel l’aluminium.
■La figure 2 illustre, en régime sinusoïdal, les différentes
limitations d’un condensateur, en fonction de la fréquence f. Trois
zones peuvent être distinguées.
●Dans la zone A (fréquences basses), la limitation vient de la ten-
sion maximale qui ne peut pas être dépassée. La puissance réactive
Q croît avec la fréquence :
Q = U2C
ω (2)
avec Uvaleur efficace de la tension aux bornes du condensateur,
ω = 2πf pulsation du réseau.
On appelle f1 la fréquence pour laquelle le condensateur dissipe
sa puissance active maximale Pmax à la tension maximale Umax ; la
puissance réactive est également maximale Qmax .
●La zone B correspond aux fréquences intermédiaires ; les pertes
maximales dissipables sont alors atteintes.
●En ce qui concerne la zone C (fréquences élevées), la limitation
est imposée par le courant maximal admissible (I étant la valeur
efficace du courant traversant le condensateur) ; ce courant diminue
en fonction de la fréquence, à cause de l’effet de peau dans les
connexions et des pertes électromagnétiques dues aux courants de
Foucault dans le boîtier. Le courant maximal est atteint à la
fréquence f2.
1.4 Inductance série
L’inductance série Ls produit une chute de tension transitoire
Lsdi/dt qui peut être importante par rapport à la tension d’utilisation
du condensateur.
Pour un composant classique de 20 µF par exemple, l’inductance
Ls est de l’ordre de 0,1 µH. Si la vitesse de variation du courant est
di/dt = 50 A /µs, valeur tout à fait courante, la tension transitoire aux
bornes de Ls atteint 5 V, alors que la valeur de crête de la tension
aux bornes de C peut ne pas dépasser 100 V (c’est le cas pour un
onduleur de faible puissance à tension modérée). Ce même conden-
sateur a, de plus, une fréquence de résonance propre série de
100 kHz.
On ne peut donc considérer un tel élément comme un
condensateur parfait et son impédance en fonction de la fréquence
prend l’allure indiquée sur la figure 3. Le minimum correspond à
la résonance série (de pulsation ω
0), telle que :
(3)
Cette inductance série peut provoquer, même en régime
permanent, des difficultés si la pulsation
ω
0 est voisine de celles
d’harmoniques de rang élevé du fondamental. Le cas peut se
présenter en particulier sur les onduleurs à résonance à haute
fréquence (au-delà de 5 à 10 kHz).
Pratiquement, il est nécessaire de ne pas utiliser un condensateur
à une fréquence supérieure au 1/5 de sa fréquence de résonance.
1.5 Résumé
Les contraintes, rencontrées en électronique de puissance, néces-
sitent des condensateurs de technologies adaptées à chaque utili-
sation. Les courants forts, de fréquence élevée, et les limites en
température des diélectriques actuels imposent des composants à
très faibles pertes et à faible impédance thermique.
Ces phénomènes parasites ont été connus très tôt dans le
domaine de la radioélectricité. Il était alors classique de doubler
les condensateurs au papier, qui présentaient une forte
inductance résiduelle, par des condensateurs au mica argenté
de capacité environ 100 fois plus faible, assurant un découplage
efficace aux fréquences les plus élevées (supérieures à quelques
mégahertz). C’est une disposition analogue qui apparaît actuel-
lement pour les condensateurs dits compounds.
LsC ω
0
21=
Les ordres de grandeur sont, en général, les suivants :
— résistance série .......................... : Rs = 0,1 à 10 mΩ
— inductance série......................... : Ls = 5 à 400 nH
— pertes diélectriques (tangente
de l’angle de pertes).................. : tan δ = 2 · 10–4 à100 · 10–4
— impédance thermique du point
chaud........................................... : 0,5 à 20 K/W
Les condensateurs de réseaux industriels ne sont qu’un cas
particulier des condensateurs ; ils sont conçus pour fonctionner
en régime sinusoïdal à 50 ou 60 Hz, et n’ont pas les performances
requises par l’électronique de puissance.
Figure 2 – Limitations, en régime sinusoïdal, d’un condensateur
en fonction de la fréquence f
Figure 3 – Variation de l’impédance d’un condensateur réel
en fonction de la fréquence f

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2. Technologies utilisées
2.1 Familles technologiques
Pour les applications en électronique de puissance, trois grandes
familles sont utilisées :
— les condensateurs électrolytiques à l’aluminium ;
— les condensateurs céramiques ;
— les condensateurs films (papiers, plastiques, secs ou
imprégnés).
■Les condensateurs électrolytiques (§ 2.6) ne sont utilisés que
pour le filtrage d’une tension continue. Ils sont présents depuis long-
temps dans les alimentations à découpage (modèles dits à faible
résistance série). Aujourd’hui, les progrès réalisés pour augmenter
la durée de vie permettent leur emploi dans les appareillages de
moyenne puissance (P > 10 kW ; U < 1 000 V) ; des utilisations en
forte puissance (P > 100 kW) sont expérimentées jusqu’à 3 500 V.
■Les condensateurs céramiques sont, traditionnellement, utili-
sés en haute fréquence (f > 1 MHz) pour l’accord ou le découplage en
haute tension (U > 3 000 V), par exemple dans les émetteurs de
radiodiffusion. Une nouvelle génération de condensateurs
céramiques multicouches couvre actuellement la basse tension
continue (U < 500 V).
Leurs caractéristiques en courant (résistance série, inductance
série) sont exceptionnelles. Leurs valeurs élevées de capacité, dans
un faible volume, les prédisposent au filtrage de sortie des alimen-
tations à découpage à haute fréquence (200 kHz < f < 1 MHz).
Malheureusement, leur coût encore important les destine aux sys-
tèmes très sophistiqués (applications militaires).
■La technologie générale des condensateurs films est fondée sur
la réalisation d’éléments par bobinage simultané de rubans diélec-
triques (papier ou film plastique) et de rubans métalliques
constituant les électrodes (§ 2.3.2). On peut imprégner ces éléments ;
le diélectrique est alors l’association des films et de l’imprégnant.
2.2 Diélectriques
Les diélectriques utilisés sont les matériaux classiques rencontrés
en électrotechnique, mais les épaisseurs sont plus faibles et leur qua-
lité soigneusement sélectionnée (tableau 1). Le tableau 2 donne les
domaines d’applications des différents diélectriques utilisés.
2.2.1 Matériaux isolants solides
Le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, aux articles Matériaux
isolants solides. Caractéristiques électriques [D 285] et Papier et
papier imprégné [D 280]. Il pourra se reporter, également, dans le
traité Plastiques et Composites, aux diverses Monographies des
matières thermoplastiques utilisées.
■Le plus ancien des matériaux est le papier ; il est encore utilisé
en tension continue au-delà de 5 000 V.
Sa propriété essentielle est sa texture fibreuse, qui permet l’impré-
gnation facile par différentes huiles, cires ou résines époxydes
(§ 2.2.2). Ces imprégnants donnent, pour une grande part, les carac-
téristiques du condensateur. (0)
Comme on peut faire varier la nature et les dimensions de
chaque constituant, le lecteur comprendra qu’il est possible de
créer toute une palette de technologies s’adaptant aux diverses
contraintes des applications de l’électronique de puissance.
Ces condensateurs sont les plus adaptés et les plus utilisés.
Nous développerons en détail toutes les possibilités de cette
technique.
Tableau 1 – Caractéristiques des diélectriques utilisés
Diélectrique Permittivité
relative (1)
tan à 1 kHz
et 25 oC
Point
d’éclair Point de feu Rigidité diélectrique Masse volumique Coefficient de température (1)
ε
r(en 10–4
)(
oC) (oC) (kV/mm) (kg/m3) (en 10–6/K)
Papier (fibre cellulose) 6,6 1 200
Polypropylène (PP) 2,2 2 600 900 – 200
Polyester (Mylar ) 3,2 50 500 1 400 + 1 200
Polyéthylène naphtalate
(PEN) 3 39 250 1 360 + 65
Huile minérale 2,3 10 150 165 60 860 – 1 400
Huile de ricin 4,6 100 250 305 60 900 – 800
Huile végétale
(exemple colza) 3 10 330 370 > 40 910 – 1 000
Phénylxylyléthane (PXE) 2,7 2 150 160 60 988 – 2 000
Mono/dibenzyltoluène
(M/DBT)
(Jarylec d’Atochem) 2,7 2 144 154 60 1 000 – 1 850
Cire 2,6 2 245 290 60 900 – 2 000
Silicone 2,8 2 305 360 60 900 – 3 300
(1) La permittivité et le coefficient de température sont donnés à 1 kHz.

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(0)
■Les autres matériaux sont les matières thermoplastiques, le
polypropylène (PP) et le polyester linéaire (PTEG, polytéréphtalate
d’éthylèneglycol, appellation Du Pont de Nemours : Mylar ), sous
forme de films très minces (1 à 25 µm) et très homogènes obtenus
par bi-étirage ; les rigidités diélectriques sont élevées (supérieures à
500 kV/mm à 20 oC sur 5 mm2, en tension continue). L’imprégnation
est, en revanche, plus délicate ; il faut avoir recours à des astuces, par
exemple faire un diélectrique mixte, bobinage de film plastique avec
du papier ou, dans le cas du polypropylène, utiliser une qualité
spéciale très rugueuse [le facteur d’espace fe = (em – ep)/ep est de 6
à 20 %, em étant l’épaisseur micrométrique et ep l’épaisseur pondé-
rale], le PPR (polypropylène rugueux ou rought en anglais) qui auto-
rise, par capillarité, la migration de l’imprégnant.
Il est également possible d’imprégner des films plastiques lisses
avec des gaz comme le SF6.
Pour les basses tensions continues (U < 2 000 V), les films thermo-
plastiques sont utilisables sans imprégnation ; on parle, alors, de
condensateurs secs.
Tableau 2 – Diélectriques utilisés. Domaines d’applications
Diélectrique Applications (§ 3) Avantages déterminant
le choix du diélectrique Observations Permittivité relative
tan
à 1 kHz
et 25 oC
ε
r(en 10–4)
Papier + huile minérale Filtrage continu Température d’utilisation Volume relativement important ≈ 4
Stockage d’énergie élevée :
θ
max = 85 oC
Papier + huile de ricin
Filtrage continu Volume plus réduit
que l’huile minérale Température maximale : 60 oC5,7 ≈ 60
Stockage d’énergie
Bancs à très haute
énergie Prix
Papier métallisé + cire Filtrage continu Très faible volume Température maximale : 70 oC 4,6 150
Autocicatrisable
Mixte : papier
et polyester + huile
Filtrage continu Faible volume Possibilité de protection des
éléments par fusibles internes ≈ 4 ≈ 50
Décharges Température d’utilisation :
θ
max = 85 oC
Mixte : papier et PP + huile
Commutation Meilleur rapport
pertes/volume
à forte puissance
Possibilité de protection des
éléments par fusibles internes ≈ 3 ≈ 15
Décharges rapides
FIP
Filtrage continu
Polyester
avec armatures + M/DBT Filtrage continu Faible volume Température maximale : 70 oC3,2 70
Fusibles internes protégeant
chaque élément
Polyester métallisé Filtrage
θ
max : 85 oCPertes élevées 3,2 60
Commutation BT Très basse tension
PP rugueux + M/DBT
Commutation
Très faibles pertes 2,4 ≈ 2
Snubber
Filtrage en alternatif
Chauffage par induction
PP + papier + M/DBT Commutation Faibles pertes 3,2 10
Snubber
Mica + huile minérale Découplage Très faibles pertes en HF 72
Accord HF Grande stabilité
PP métallisé Filtrage BT
θ
max : 85 oCLimites en dv/dt dues aux
connexions par shoopage 2,2 5Commutation Diélectrique sec
Snubber Autocicatrisable
PP métallisé segmenté Filtrage continu
Stockage d’énergie
θ
max : 85 oCLimites en dv/dt dues aux
connexions par shoopage 2,2 50Faible volume
Autoprotégé
PP rugueux métallisé
segmenté + huile végétale Filtrage continu
Faible masse
Température maximale : 70 oC 2,3 100
Faible volume
Autoprotégé
Écologique
PP métallisé segmenté + gaz Filtrage continu Faible masse Température maximale : 70 oC 2,2 70
Faible volume
PP métallisé et armatures Accord HF Très faibles pertes Peut remplacer le mica 2,2 2
Chauffage par induction Courant très élevé
BT basse tension.
FIP formeur d’impulsions (association d’inductances et de condensateurs, § 3.7)
HF haute fréquence.
Snubber aide à la commutation des semiconducteurs (§ 3.6).