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Submitted on 1 Jan 1997
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Dispositif de mesure calorimétrique des pertes dans les condensateurs de puissance
B. Seguin, J. Gosse
To cite this version:
B. Seguin, J. Gosse. Dispositif de mesure calorimétrique des pertes dans les condensateurs de puis- sance. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (2), pp.321-336. �10.1051/jp3:1997125�. �jpa- 00249581�
J. Phys III Hance 7 (1997) 321-336 FEBRUARY1997, PAGE 321
Dispositif de Inesure caloriIn4trique des pertes dons [es
condensateurs de puissance
B. Seguin et J-P- Gosse (*)
Laboratoire d'(lectrostatique et des Mat4riaux D141ectriques (**),
CNRS et Universit4 Joseph Fourier, BP 166, 38042 Grenoble Cedex 9, France
(Regu le 6 juin 1996, r4vis4 et accept4 le 13 novembre 1996)
PACS.07.20 Fw Calorimetry
PACS.77.22.Gm Dielectric loss and relaxation PACS 84.32.Tt Capacitors
Rdsumd. Une technique de calonmdtrie isotherme est appliqude h la mesure des pertes Alec-
triques dans les condensateurs. La puissance calorifique dissipde par le composant est mesurde
comme la diffdrence des puissances de chaulfe ddlivrdes par une rdgulation de tempdrature quand
Ie condensateur est iors tension
ou sous tension. L'originalitd du dispositif rdside dans l'utilisa- tion du principe de calonmdtrie isotherme et dans la nature de la grandeur physique mesurde qui est uue puissance dlectrique alors que les tentatives antdrieures de mesures calorimdtriques reposaient sur la mesure d'une dldvatiou de tempdrature. II en rdsulte une amdlioration de la
prdcision et de la sensibilitd de ce type d'appareillage qui pent @tre employd pour caractdriser la rdsistance sdrie dqmvalente des coudeusateurs h trAs faibles pertes Uue sdrie de mesures, rdalisde
sur un condensateur au polypropylAne soumis h une tension sinusdidale, a permis de sdparer (es pertes ohmiques des pertes didlectriques et d'dtudier Ieurs variations avec la tempdrature.
Abstract. A calorimetric technique is used to measure the power losses in capacitors. The
power dissipated in the component is measured as the difference between the heat powers deliv- ered by a temperature regulation when the capacitor is energetized or not The original feature of the apparatus lies in the use of the isothermal calorimetry and in the measurement of an
electrical power, in condradistinction with previous and dissatisfacting attempts based on the measurement of a temperature increase. The result is an improvement of the accuracy and
sensibility of the apparatus which can be used to determine the equivalent series resistance of capacitors having very low losses. Measurements realized on a polypropylene capacitor and a
sinusoidal applied voltage have allowed us to separate the ohmic losses from the dielectric ones and to study their variations with temperature.
1. Introduction
L'Avolution des performances des composants semi-conducteurs (rapiditA, puissance commut4e, souplesse d'emploi) et la recherche de structures de conversion et de modes de commutation
optimisant leur mise en cauvre [Ii, ont permis de repousser les limites de fonctionnement (* Auteur auquel doit @tre adressde la correspondance
(**) UMR 5517
© Les (ditions de Physique 1997
des convertisseurs en termes de fr4quence de travail et de puissance convertie, et de rAduire considArablement leurs dimensions.
Ces progrAs ont Atendu le domaine d'application des condensateurs de puissance h de nou- velles fonctions (protection des semi-conducteurs, quasi rAsonance...) mais ont inAvitablement
accru la sAv4ritA des contraintes auxquelles ils sont soumis, qu'elles soient de nature Alectrique
(frAquences AlevAes, richesse du contenu harmonique, forts dildt, champs intenses dans le ma- tAriau diAlectrique) ou de nature thermique (tempArature AlevAe au ccaur du composant). La
nature et l'intensitA de ces contraintes sont liAes h la fonction remplie par le condensateur au
sein du convertisseur.
L'Achauffement du composant dfi aux pertes diAlectriques dans le matAriau isolant et aux pertes ohmiques dans les parties mAtalliques constitue, lorsque la tempArature ambiante est dAjh AlevAe (en raison de la miniaturisation des dispositifs, ou simplement de la proximitA des composants actifs), une contrainte trAs sAvAre pour certains matAriaux comme les plastiques,
et plus particuliArement le polypropylAne dont le dAdassement commence dAs 70 °C [2j. Cette contrainte accAlAre le processus de vieillissement du matAriau soumis, en outre, h un champ Alectrique intense [3], elle peut aussi dans certains cas provoquer un daquage thermique. Pour
estimer le plus correctement possible les contraintes auxquelles les condensateurs sont soumis,
il est nAcessaire de disposer de donn4es prAcises sur la nature et la valeur des pertes 41ectriques,
en rAgime sinusoidal sous tension nominale et dans une large gamme de frAquences, mais aussi
en rAgime non sinusoidal lorsque le condensateur est situA au sein d'un convertisseur statique.
La trAs faible valeur des pertes dans le condensateur vis-h-vis de la puissance rAactive mise
en jeu rend dans certains cas leur mesure impossible par des mAthodes classiques, comme nous
le montrerons dans le paragraphe 2.
Pour mener h bien cette caractArisation, un dispositif calorimAtrique permettant de mesurer
la puissance calorifique dissipAe par le condensateur a AtA congu. Il permet de caractAriser des condensateurs h trAs faibles pertes (tan d < 5 x 10~~) comme les condensateurs bobinAs h films de polypropylAne. La caract4risation peut se faire en rAgime sinusoidal. Avec le dispositif rAalis4, les condensateurs peuvent Atre testAs sous tension nominale, dans la gamme de frAquence
I kHz-I MHz, et pour des tempAratures comprises entre -50 °C et +100 °C. Mais l'utilisation de la calorimAtrie comme principe de mesure permet Agalement d'effectuer des mesures de
pertes indApendamment de la nature du rAgime Alectrique auquel est soumis le condensateur.
Ce dispositif peut Atre utilisA pour effectuer des mesures de pertes sur des condensateurs en fonctionnement dans un convertisseur statique
Dans cet article, nous prAsentons d'abord les diffArentes mAthodes de mesure des pertes des condensateurs en insistant sur leur intArAt ou leur faiblesse. Dans les paragraphes 3 et 4, nous
donnons le principe du calorimAtre rAalisA et sa mise en cauvre. Une sArie de mesures effectuAes
en rAgime sinusoidal sur un condensateur bobinA de capacitA 220 nF, de constitution mixte
polypropylAne mAtallisA et armatures [4j est prAsentAe au paragraphe 5.
2. Les diff4rentes m4thodes de mesure des pertes
En rAgime sinusoidal, les pertes dans un condensateur peuvent Atre reprAsentAes par le facteur de dissipation tand (ou tangente de l'angle de pertes)
tan d
=
~ (lj
Q
oh P est la puissance dissipAe et Q la puissance rAactive fournie par le condensateur. Les pertes peuvent 4galement Atre reprAsentAes par la rAsistance sArie Aquivalente ESR (Equivalent Series
Resistance), le composant Atant dans ce cas modAlisA par un circuit comportant en sArie la
N°2 PERTES DANS LES CONDENSATEURS. MES CALORIM(TRIQUE 323
rAsistance ESR et la capacitA C du condensateur. L'expression de la puissance active dissipAe
P lorsque le condensateur est traversA par un courant efficace Iej h la pulsation uJ est alors : P
= ESR 1]~ = ESR CUJUC~,,Iej. (2)
Uc~,, dAsigne la tension efficace aux bornes de la seule capacitd sArie C, elle peut Atre assimilAe h la tension efficace UeR aux bornes du condensateurs pour de faibles angles de pertes.
En effet
Uc~,, " (I + (tand)~)~~/~Uej m Uej. (3)
La valeur du facteur de dissipation tan d est gAnAralement comprise entre 10~~ et 10~~. L'angle
d (du mAme ordre de grandeur) reprAsente la diffArence entre 7r/2 et le dAphasage rAel ~J(u,i)
entre le courant traversant le condensateur et la tension I ses bornes :
d = 7r/2 ~JlU,I). 14)
Les deux reprAsentations tan d et ESR sont l14es par la relation :
tan d
= ESR C&~. (5)
Les pertes dons le condensateur out deux origines distinctes :
les pertes darts le matdriau d141ectrique Pd que l'on peut 4crire en fonction du facteur de
dissipation tan dd du diAlectrique ou h l'aide d'une r4sistance s4rie Rd
Pd " tan ado
" l~j/~) Il& " RdIl& 16)
les pertes ohmiques P~ darts les parties mAtalliques du condensateur (connections, shoopage, mAtallisation, armatures) qui sont repr4sentAes par une rAsistance sArie R~
P~ = R~Ij~. (7)
La rAsistance s4rie Aquivalente reprAsentant l'ensemble des pertes s'exprime par ESR =
~~~~~
+ R~ = Rd + R~. (8)
Les faibles valeurs de d caract4risant les condensateurs ne peuvent Atre d4termin4es par une
mesure directe du d4phasage ~g(u,I), h l'aide d'un oscilloscope par exemple. La d4termination
du facteur de dissipation a donc n4cessit4 le dAveloppement de techniques appropr14es qui
sont dAcrites dons les paragraphes suivants. Une approche Alectrique lies pertes sont mesu-
rAes comme une puissance perdue darts un Ailment rAsistif parasite) a donnA naissance h des
dispositifs de mesure purement 41ectriques, alors qu'une approche thermique lies pertes sont mesurAes comme une puissance calorifique dissip4e dons le composant) a entrain@ la r4alisation de dispositifs calorimAtriques.
2.I. LES DISPOSITIFS #LECTRIQUES
2.1.1. Les pants de mesure. Parmi les diflArents dispositifs 41ectriques de caractArisation des condensateurs, les pants de mesure constituent la famille la plus communAment utilisAe et
dAveloppAe commercialement [5,6j. Le principe g4n4ral des m£thodes en pant est l'obtention,
par variation de certains paramAtres du circuit, d'un 4quilibre entre deux branches d'un circuit,
l'une contenant le condensateur h 4tudier, l'autre des condensateurs de r4f4rence ou (talons [7].
Les deux principaux types de pants sent le pant de Schering [5,7j adaptA h la caractArisation de condensateurs sous haute tension et basse frAquence (< I kHz) et le pant h transformateur
[6-9j, conqu pour des mesures sous foible signal jusqu'h des frAquences plus AlevAes It loo kHz).
Les progrbs rAalisAs dons le domaine de l'automatisation ant permis d'accroitre la sensibilitA de ces appareils, mais certaines limites subsistent toutefois h leur emploi :
les condensateurs de rAfArence supposAs parfaits prAsentent en r4a1itA des imperfections qui ne peuvent plus Atre nAgligAes tars de la caractArisation de condensateurs h faibles ou trbs
foibles pertes
,
en hautes frAquences, les impAdances parasites des diflArents composants, des connexions et du transformateur alfectent la prAcision de la mesure. I loo kHz, la
mesure du facteur tan d
h l'aide du pant de la rAfArence [6j est eflectuAe dons le meilleur des cas avec une erreur de
+10~~
enfin chaque type de pant est conqu pour un type de mesure et ne peut couvrir qu'un
domaine d'4tude restreint. I l'aide du pant d4crit
en [6j, un condensateur C ne peut Atre test4 h une fr4quence f que pour une tension V inf4rieure h la valeur lo~~ Ii fC) volts. En d'autres
termes, le produit (2xfCV) correspondant au courant traversant le condensateur est limit4 h
63 mA une mesure ne pourra Atre elfectuAe que si ces trois parambtres C, f et if respectent
cette condition.
2.12. L'analyseur d'impAdance. Ce type d'appareil est utilisA pour analyser sous foible tension (de l'ordre de I V) le comportement en frAquence d'une impAdance [loj.
Darts le cas d'un condensateur, la partie active se limite h sa rAsistance s4rie dent la valeur est de l'ordre de quelques mQ h quelques dizaines de mQ, l'incertitude sur sa mesure due h l'influence des contacts dlectriques et h la faiblesse de sa valeur vis-h-vis de l'impddance
totale est trAs Alevde. Les valeurs limites du facteur de dissipation et de la r4sistance s4rie
4quivalente d'un condensateur mesur4es avec une pr4cision acceptable h l'aide de l'analyseur
de la r4f4rence [10j sent respectivement de 10~~ et lo mQ environ et ne permettent pas la caract4risation des condensateurs h film polypropylAne dent le facteur de dissipation est de l'ordre de 2 x 10~~. L'un des imp4dancemAtres les plus pr4cis actuellement disponible sur le march4 est l'analyseur HP4284A ii autorise des mesures de tan d jusqu'h des valeurs de l'ordre
de 5 x 10~~ entre 20 Hz et I MHz.
2.1.3. La r4sonance. Une m4thode classique de mesure de la rAsistance s4rie d'un condensa- teur consiste h l'alimenter h sa fr4quence propre de r4sonance lo (2xfo
= (LC)~~/~,
L repr4sentant l'inductance propre du condensateur) h cette fr4quence, l'imp4dance du conden-
sateur se limite h sa partie active, c'est-h-dire h ESR. Cette m4thode simple est toutefois trAs
limit4e puisque la mesure de la r4sistance s4rie ne peut Atre elfectu4e qu'h une seule fr4quence.
La m4thode d4crite dons la r4f4rence [iii associe le principe de la rAsonance parallAle et
la mesure h l'aide d'un analyseur d'imp4dance. Cette mesure ne peut Atre elfectu4e que sous
foible tension, avec une pr4cision limit4e pour les faibles valeurs de ESR, et le r4sultat englobe
la r4sistance s4rie de la bobine d'accord du circuit r4sonant.
2.1.4. Circuit de charge/dAcharge. La m4thode expos4e dans la r4f4rence [12j a 4t4 d4velop-
p4e pour mesurer les pertes dans les condensateurs destin4s h un usage sous r4gime impulsion-
nel. Les pertes sent expnmdes comme la di1f4rence entre l'dnergie fournie au condensateur par
un circuit de charge et l'dnergie restitude darts un circuit de ddcharge.
Les pertes dons un condensateur Atant trbs foibles devout l'Anergie emmagasinAe, cette ml- thode est bas4e sur un principe de mesure inadapt4 car n4cessitant une pr4cision trAs s4vAre
sur la mesure des 4nergies emmagasin4e et restitu4e. De plus, les r4sistances de contacts et
des connexions des circuits de charges et de dAcharges influent fortement sur le r4sultat de
N°2 PERTES DANS LES CONDENSATEURS
: MES. CALORIMtTRIQUE 325
la mesure une telle m4thode est done limitAe aux condensateurs h pertes AlevAes comme les
condensateurs Alectrolytiques et les cAramiques de type II (tand > 10~~).
2.1.5. MAthode numArique Des valeurs de l'angle de pertes d infArieures h 10~~ rd ne peuvent pas Atre d4terminAes par une mesure directe du d4phasage ~g(u,I) entre les signaux analogiques u(t) et i(t). Une solution consiste h calculer num4riquement ce d4phasage aprAs Achantillonnage des signaux, pour en d4duire la valeur de d h l'aide de l'expression (4). C'est le principe des mAthodes dAveloppAes dons les rAfArences [13j et [14j.
La principale limite de cette mAthode est la frAquence du test. L'Achantillonnage de signaux de frAquence AlevAe ne permet pas la mesure prAcise d'un angle d foible. La frAquence des essais
dAcrits dons ces rAfArences ne dApasse pas 2 kHz.
2.2. LES DISPOSITIFS CALORIMtTRIQUES. Les techniques Alectriques sent limitAes par les
caractAristiques de l'alimentation du condensateur (valeur efficace, frAquence), it semble done
beaucoup plus judicieux d'utiliser une technique calorim4trique dons laquelle le systbme de
mesure est ind4pendant du circuit d'alimentation 41ectrique du composant testA.
2.2.1. La mAthode dAveloppAe par Rust et MacDulf [lsj repose sur le principe de calorimAtrie adiabatique. La grandeur mesur4e est l'Al4vation de tempArature AH d'une enceinte adiabatique
contenant le condensateur sous tension pendant un temps t. On en ddduit la puissance calori- fique dissip4e P si la valeur de la capacit4 calorifique MCp du systAme enceinte/condensateur
est connue
P
=
~~~~"
j9)
Les dilficult4s l14es h la r4alisation d'une enceinte parfaitement adiabatique et h l'estimation pr4cise de la valeur fifcp introduisent des incertitudes non nAgligeables sur le r4sultat de la
mesure. De plus, la variation de la tempArature au cours de la mesure entraine une variation
du facteur de dissipation du condensateur, et donc de la puissance dissip4e. Une telle mesure
ne peut alors r4sulter que d'un compromis entre une prAcision souhait4e sur la mesure de AH, n4cessitant une 414vation de temp4rature la plus grande possible et la minimisation de la variation de la puissance dissip4e, n4cessitant une 414vation de temp4rature la plus foible
possible. Compte tenu de toutes ces approximations, l'incertitude totale sur le r4sultat de la
mesure est d'environ 40 %.
2.2.2. Une mAthode plus prAcise, dAveloppAe par Berzan et al. [16j, repose sur la mesure
en rAgime Atabli, de l'Acart de tempArature AT entre la surface du composant et le milieu ambiant. Get (cart de tempArature rAsulte de l'4change avec le milieu extArieur de la puissance
P dissipAe au cceur du composant h travers la surface externe, constituant globalement une
rAsistance thermique RTH
P
=
£ (lo)
Cette Aquation ne constitue qu'un modble thAorique qui ne correspond pas h la r4alitd puis- qu'elle n'est valable qu'en l'absence d'Achanges thermiques entre le condensateur et les fits d'alimentation. La valeur thAorique de AT est alors dAterminAe h partir de mesures de tempA-
ratures en dilfArents points du condensateur et de la valeur estimAe des rAsistances thermiques
constitudes par les dilfdrentes parties du condensateur. La ddtermination de l'dcart AT thdo-
rique et de la valeur de la rdsistance RTH sent les principales causes d'incertitudes sur la mesure de P, qui est estim4e h lo %. De plus I"dquation (lo) suppose une parfaite homogdndit# de la
temp4rature sur la surface consid4r4e, ce qui n'est, en g4n4ral, pas v4rifi4e.
Ao To
REGULATION I
Ti RTHI
T,
'~TH2 '~TH2
AZ
~ 'z ~
+ +
~£~ ~~j
'Z~'l ~
+ +
-avant mise sous tension- -condensateur sous tension-
Fig I. Principe de la mesure.
[Measurement principle.]
3. Principe de la
mesure
Le principe de fonctionnement du calorimAtre est d4crit sur la figure I.
Le systAme comporte 3 4tages de temp4rature
Le r4servoir d'azote liquide (corps Co) maintient h la temp4rature de r4f4rence stable To
(To " -196 °C) le point Ao de fixation du dispositif
Le double 4cran thermique Cl assurant la protection vis-h-vis du rayonnement comporte
un couvercle. Son centre AI, reliA thermiquement au point Ao Par une r4sistance RTHI, est
maintenu h la tempArature Ti Par une premiAre rAgulation de tempArature (rAgulation de
temp4rature absolue).
La cellule de mesure (corps C2 contenant le condensateur est plac4e h l'intdrieur de l'dcran et est rel14e au point AI Par une r4sistance thermique RTH2. Le point de fixation de RTH2 sur
la cellule est not4 A2, sa temp4rature est T2. L'4cart AT (AT
= T2 Ti) est stabilis4 par une deuxiAme r4gulation de tempArature (rAgulation d'4cart)
Les deux consignes Ti et AT (taut fix4es, la mesure s'elfectue en deux temps
Lorsque le r4gime stationnaire est atteint, on mesure la puissance calorifique transitant entre
A2 et AI qui est stabilis4e h la valeur PO
PO "
$ Ill)
TH2
Lorsque le condensateur est mis sous tension, it dissipe une puissance calorifique (gale h la
puissance active consomm4e Pc. Cette puissance participe au chaulfage de la cellule. Lorsque le rAgime Atabli est de nouveau atteint, la puissance de chaulfe dAlivr4e par la r4gulation d'(cart
vaut P
~ ~ ~~ ~~2 ~~~~
N°2 PERTES DANS LES CONDENSATEURS MES. CALORIMtTRIQUE 327
MWENTATION CALOWMETRE REGUIATIONS DE
ELECnUQUE TE~ATWE
msnm
~~
oscwnscope
~ ~~~~~
fi ~jj
14guLl
Tl Tl
mesnmT2-Tl
~j~ In
pubs-e ~4guL2
T2-Tl lklh-2Aflh
250W
mesnmdelaptdssmce dechauflb
Fig. 2. Dispositif expdrimental [Experimental set-up
L'4cart AT (taut maintenu constant par la r4gulation, on peut 4crire :
Pc"Po-P. (13)
L'inconv4nient majeur de la mesure calorim4trique est la prise en compte syst4matique d'une partie de la puissance dissip4e par elfet joule dans les fits d'alimentation du condensateur. Le
r4sultat (PO P) est en r4alit4 (gal h la somme de la puissance PI elfectivement dissip4e dans le condensateur et de la partie Pj de la puissance dissipAe darts les fits qui contribue au chaulfage
de la cellule et que l'on peut reprdsenter par une rdsistance Rj. La connaissance du courant efficace Ie~ traversant le condensateur pendant la mesure permet de ddterminer la valeur de la
rdsistance totale R qui s'exprime par
R = ERS + Rj = ~~~
~ (14)
e&
Pour dAduire de cette mesure la valeur de ESR, il est ndcessaire de mesurer prdalablement la valeur de Rj, en ddconnectant le condensateur et en court-circuitant les fits dans la cellule.
Cette correction introduit sur la valeur estimde de ESR une incertitude suppldmentaire dent la valeur est directemeiit tide h la valeur du rapport Rj /ESR. Pour minimiser cette incertitude,
la rdsistance dlectrique des fits d'alimentation du condensateur doit Atre la plus faible possible.
4. Dispositif exp4rimental
L'appareillage est constitud du systAme de mesure calorimdtrique (calorimAtre, rdgulations de
tempArature, systAme de mesure) et du circuit d'alimentation du condensateur conqu pour les essais en rAgime sinusoidal (Fig. 2).
