電力應(yīng)用中薄膜電容器和鋁電解電容器的特性

設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備的工程師發(fā)現(xiàn)，從儲(chǔ)能到濾波器和去耦等多種功能都需要電容器。有不同的電容器類(lèi)型可供選擇，乍一看，它們的電容和電壓額定值似乎相同，但性能卻不盡相同。不正確的選擇充其量會(huì)導(dǎo)致昂貴的“過(guò)度設(shè)計(jì)”的解決方案，最壞的情況是導(dǎo)致產(chǎn)品不可靠或不安全。

本文介紹了可考慮用于電力電子應(yīng)用的不同類(lèi)型的電容器。特別是，對(duì)電解和薄膜類(lèi)型進(jìn)行了比較，顯示了各自如何以及何時(shí)發(fā)揮作用。更詳細(xì)地描述了各種薄膜類(lèi)型及其結(jié)構(gòu)，并確定了優(yōu)選的類(lèi)型。詳細(xì)檢查了電容、紋波電流額定值、瞬態(tài)電壓抗擾度和安全額定值以及其他特性的規(guī)格。討論了電壓應(yīng)力后的“自愈”現(xiàn)象，解釋了其物理機(jī)制及其在典型電路中的價(jià)值。確定了電力電子中薄膜電容器的主要應(yīng)用，并就如何選擇合適的薄膜電容器類(lèi)型提供了指導(dǎo)。然后給出了一些示例電路的詳細(xì)計(jì)算，顯示了如何選擇特定的電容器及其額定值。計(jì)算被推廣以使工程師能夠?qū)⑺鼈冇米髟O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

很難想象任何不包括某種類(lèi)型電容器的現(xiàn)代電子產(chǎn)品。例如，它們可能是手機(jī)中非常小的表面貼裝類(lèi)型，但它們?nèi)匀淮嬖?。在電力電子中，功能是濾波、能量處理和傳輸，相比之下，電容器的體積可以以立方英寸為單位進(jìn)行測(cè)量。在此應(yīng)用中，有時(shí)似乎可以在鋁 (Al) 電解液和薄膜類(lèi)型之間進(jìn)行選擇，但就存儲(chǔ)的能量密度而言，鋁電解液在某些方面處于領(lǐng)先地位。唯一可比較的薄膜類(lèi)型是奇特且昂貴的，例如“分段高結(jié)晶金屬化丙烯”，即使這樣，在高溫下也不能很好地保持其紋波電流額定值。鋁電解在壽命和可靠性方面的聲譽(yù)相對(duì)較差，但這僅適用于他們努力工作的情況。隨著電壓、紋波電流和溫度的適當(dāng)降低，它們可以持續(xù)很多年。對(duì)于給定的容量電壓 (CV) 額定值，它們的低成本當(dāng)然是一個(gè)重要因素。這意味著它們是大容量?jī)?chǔ)能應(yīng)用的實(shí)用解決方案，例如商用 AC-DC 電源的內(nèi)部高壓 DC 總線。

薄膜電容器在電力電子領(lǐng)域占有一席之地

薄膜電容器類(lèi)型確實(shí)比它們的鋁電解表親有一些優(yōu)勢(shì)。對(duì)于相同的 CV 額定值，它們可以具有低得多的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，這通常使它們具有更好的紋波電流額定值。它們對(duì)電壓過(guò)應(yīng)力的耐受性也相對(duì)更強(qiáng)，并且在某些情況下可以在一定程度的擊穿后“自我修復(fù)”，從而提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命。當(dāng)局部擊穿確實(shí)發(fā)生時(shí)，薄膜電容器的主體中會(huì)形成短路，但會(huì)出現(xiàn)等離子弧來(lái)清除短路。但這僅在壓力范圍內(nèi)有效;由于碳沉積和對(duì)介電絕緣的附帶損壞，仍然可能發(fā)生災(zāi)難性故障。在實(shí)踐中，鋁電解通常只能承受 20% 的電壓過(guò)應(yīng)力，而薄膜類(lèi)型的數(shù)字可以在有限的時(shí)間內(nèi)達(dá)到 100%。故障模式的差異也很顯著;鋁電解液通常會(huì)在過(guò)應(yīng)力后短路，并導(dǎo)致爆炸性結(jié)果，導(dǎo)致液體電解質(zhì)放電并損壞其他組件。

確實(shí)，鋁電解和薄膜類(lèi)型的理論故障率可以與正確的降額相媲美，但在實(shí)際應(yīng)用中，偶爾會(huì)有來(lái)自感應(yīng)負(fù)載或雷擊的電壓應(yīng)力，系統(tǒng)可靠性可能完全不同。兩項(xiàng)技術(shù)。由于濕度導(dǎo)致的退化是薄膜電容器的一個(gè)問(wèn)題，但這與其他組件一樣，因此應(yīng)加以控制以獲得最佳可靠性。

當(dāng)儲(chǔ)能不是主要參數(shù)時(shí)，大容量薄膜電容器可以成為一種高性能解決方案。一個(gè)例子是電池支持的直流總線，例如電動(dòng)汽車(chē)、替代能源系統(tǒng)和不間斷電源。在這些應(yīng)用中，電容器的主要功能是提供和吸收可以以數(shù)百或數(shù)千安培測(cè)量的高頻紋波電流，其中低電容器 ESR 對(duì)于實(shí)現(xiàn)低損耗和低紋波電壓至關(guān)重要。

向更高總線電壓的轉(zhuǎn)變也有利于薄膜電容器類(lèi)型。相同的能量在高壓下以較小的 CV 額定值存儲(chǔ)(由于 E=CV 2 /2 中的“平方”)，因此需要的容量更少，并且可以根據(jù)需要提供具有 kV 額定值的薄膜類(lèi)型。鋁電解電容器的技術(shù)限制在 550V 左右，雖然它們可以堆疊以獲得更高的電壓，但它們具有固有的高且可變的漏電流，需要并聯(lián)平衡電阻器以及相關(guān)的成本和損耗。我們討論了鋁電解的短路失效模式;當(dāng)串聯(lián)時(shí)，以這種方式失敗的一個(gè)將在其他兩個(gè)之間施加高壓，從而導(dǎo)致雪崩式損壞。

薄膜電容器和鋁電解電容器之間的實(shí)際區(qū)別在于它們的安裝選項(xiàng)。薄膜以體積效率高的矩形盒形式提供，可選擇電線、螺釘、接線片、推入式連接器甚至母線端接。對(duì)于鋁電解液，圓形金屬罐是唯一的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)，盡管可以使用類(lèi)似范圍的端接。與鋁電解不同的是，薄膜類(lèi)型是非極性的，它們可以在施加任一極性的電壓下愉快地工作，從而使它們防反向。這也意味著它們非常適合應(yīng)用交流電壓的應(yīng)用，例如逆變器輸出濾波。

我們已經(jīng)討論了一般的“薄膜”電容器，但有許多子類(lèi)型具有不同的性能和應(yīng)用。

在性能數(shù)據(jù)中，聚丙烯是電力應(yīng)用的有力競(jìng)爭(zhēng)者，具有寬電壓和電容范圍以及良好的自愈性能。在所有頻率下特別低的耗散因數(shù) (DF) 也很重要;DF 是 ESR 與容抗 ZC = 1/2πfC 之比。與其他電介質(zhì)相比，較低的數(shù)字意味著較低的加熱效應(yīng)，并且是比較電容器類(lèi)型每微法容量損失的一種方式。通常，DF 隨溫度和頻率的變化略有變化，但聚丙烯在比較中表現(xiàn)最好。

對(duì)于不太重要的電力應(yīng)用，聚酯可以是一種出色的低成本選擇，因?yàn)樗哂懈弑入娙?CV/體積)和寬溫度范圍。

聚丙烯電容器結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在更詳細(xì)地研究聚丙烯電容器，有兩種基本結(jié)構(gòu)——金屬箔和金屬沉積。在前者中，大約 5 微米厚的金屬箔夾在介電層之間，具有高峰值電流能力，但沒(méi)有自愈能力。在金屬化薄膜結(jié)構(gòu)中，鋁或鋅或鋅合金在約 1200°C 下在真空下沉積到聚丙烯薄膜上，厚度約為 20 至 50nm。薄膜在沉積過(guò)程中保持低溫，通常為 -25°C 至 -35°C。在此過(guò)程中，啟用了自我修復(fù)。在使用中，局部擊穿會(huì)導(dǎo)致劇烈加熱，可能高達(dá) 6000°C，從而形成等離子弧。這會(huì)局部蒸發(fā)金屬化層，等離子的快速膨脹會(huì)熄滅電弧，在大約 10μs 內(nèi)隔離缺陷區(qū)域并允許電容器繼續(xù)工作。失去了一些能力，但影響微乎其微，

金屬化有時(shí)在薄膜上被分割成數(shù)百萬(wàn)個(gè)區(qū)域，狹窄的“門(mén)”將電流饋入這些部分并充當(dāng)嚴(yán)重過(guò)載的保險(xiǎn)絲。由于總電流路徑的變窄，峰值電流處理能力略有降低，但引入的額外安全裕度因此允許電容器額定電壓更高。

在某些設(shè)計(jì)中，箔和金屬化結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，以在峰值電流處理和自愈之間提供折衷的性能。金屬化也可以從電容器的邊緣分級(jí)，以便邊緣處較厚的材料提供更好的電流處理和更堅(jiān)固的焊接或焊接端接。分級(jí)可以是階梯式的或連續(xù)的。

局部放電效應(yīng)

所使用的聚丙烯薄膜的介電強(qiáng)度約為 650V/μm，厚度約為 2μm，因此很容易獲得幾 kV 的器件額定電壓，零件電壓為 100kV。盡管在非常高的電壓下會(huì)產(chǎn)生影響——局部放電或“PD”。有時(shí)稱(chēng)為“電暈”，這是介電材料主體中的微孔或絕緣層之間的氣隙的擊穿。其效果是在絕緣中插入“部分”短路，有效縮短絕緣路徑并局部降低擊穿閾值電壓。每個(gè)短路都會(huì)對(duì)剩余的絕緣層施加額外的壓力，隨著時(shí)間的推移它們會(huì)累積，達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，并發(fā)生完全擊穿。局部放電的檢測(cè)依賴(lài)于專(zhuān)用設(shè)備，通過(guò)高壓測(cè)試期間流動(dòng)的瞬態(tài)額外電流記錄單個(gè)擊穿事件。事件中的能量雖然以皮庫(kù)侖為單位測(cè)量，但很難檢測(cè)到，但它可以很好地衡量絕緣狀況隨時(shí)間的變化。這 'Paschen 曲線描述了 PD 效應(yīng)”，曲線 A，其特征是微孔尺寸和擊穿電壓之間的關(guān)系中的“最小值”鮮為人知。曲線 B 和 C 是通過(guò)絕緣體的兩個(gè)示例場(chǎng)強(qiáng)——Paschen 曲線 (A) 上方的點(diǎn)可能會(huì)產(chǎn)生 PD 擊穿。PD 具有用于開(kāi)始擊穿的“起始”電壓，但在擊穿停止之前具有較小的“熄滅”電壓。

用油浸漬高壓電容器有助于通過(guò)從絕緣界面置換具有較低擊穿閾值的空氣來(lái)治療 PD。樹(shù)脂填充的低壓電容器在這方面也有幫助，并且還提高了機(jī)械強(qiáng)度。

PD 是由電場(chǎng)強(qiáng)度 (kV/mm) 引起的效應(yīng)，因此較厚的介電材料不易受到影響，但以相同 CV 額定值的較大尺寸組件為代價(jià)。電容器可以串聯(lián)連接，以便它們單獨(dú)看到較低的電壓應(yīng)力，低于 PD 起始點(diǎn)，但可能需要平衡電阻器。有時(shí)高壓電容器由一個(gè)外殼中的串聯(lián)元件組成，以避免 PD。

電容器在電力電子中的應(yīng)用

我們提到一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是電源轉(zhuǎn)換器或逆變器的直流總線上的電容器，提供“穿越”或“保持”的需求是選擇鋁電解電容器或薄膜電容器類(lèi)型的一個(gè)差異化因素。舉個(gè)例子，看看每種類(lèi)型是如何適合的，也許很有啟發(fā)性。采用具有功率因數(shù)校正前端的 90% 效率、1kW 離線 AC-DC 轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部直流母線以 400VDC 標(biāo)稱(chēng)工作，在轉(zhuǎn)換器停止調(diào)節(jié)之前降至 300VDC。

如果在停電后需要 20ms 的穿越時(shí)間，則需要在直流總線上安裝一個(gè)電容器，為轉(zhuǎn)換器提供能量，以便在停電期間繼續(xù)以 1kW 輸出運(yùn)行。為了計(jì)算所需的電容 (C)，我們將電容器從 400V (Vn) 下降到 300V (Vd) 時(shí)的能量差與提供給轉(zhuǎn)換器的能量相等，即功率 (Po) 乘以時(shí)間(t) 除以效率 (η)。

從 TDK 的 B43508 系列中選擇傳統(tǒng)的高級(jí)電容器，它大約為 3 立方英寸或 52cm 3。要從 TDK B32678 系列中類(lèi)似等級(jí)的薄膜電容器獲得相同的總電容和額定電壓，我們需要并聯(lián) 16 個(gè)，總體積為 98 立方英寸或 1600cm 3。不同之處在于尺寸約為 30 倍，成本比例相似。

在不需要穿越但電容器用于最小化 400VDC 總線上的紋波電壓的情況下，例如我們可能在 EV 應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，典型值可能是 80A rms 紋波電流 (Irms)一個(gè)下游 20kHz 轉(zhuǎn)換器，最大紋波電壓為 4V rms。電容 C 可以近似為：

我們有時(shí)會(huì)看到電容器在這個(gè)位置的經(jīng)驗(yàn)法則，即每 μF 額定 20mA，與我們的結(jié)果一致。TDK B43508系列中有一個(gè)小型低成本部件，額定值為 180μF、450V，但在 60°C 時(shí)只有 3.5A rms 紋波電流額定值，包括其頻率校正因子。因此，對(duì)于 80A 紋波，我們需要 23 個(gè)并聯(lián)，并具有不必要的 4140μF 總電容和大約 38 立方英寸或 621cm 3的體積，考慮到較差的封裝系數(shù)。每個(gè)電容器的 ESR 約為 1ohm，因此在 3.5A rms 的情況下，每個(gè)電容器的功耗約為 10W。如果我們?cè)倏匆幌卤∧る娙萜鳎瑯觼?lái)自 TDK B32678 系列，只有四個(gè)并聯(lián)，總計(jì) 160μF，450V 提供 132A rms 能力，體積為 24.5 立方英寸或 402cm 3. 電容 ESR 為 2.5 毫歐，每個(gè)電容的功耗僅為 1W。事情發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，薄膜電容器是正確的選擇，它具有更低的功耗、更好的過(guò)壓耐受最佳電容以及比 4140μF 的情況下的浪涌能量少得多。薄膜電容器是易于端接的引線盒式，只需要四個(gè)。

選擇電容器的決定因素可能是成本而不是物理體積和耗散，因此我們可以采用相同的兩個(gè) TDK 系列電容器，并比較每焦耳儲(chǔ)能值和每安培紋波電流額定值。使用來(lái)自高服務(wù)分銷(xiāo)商的數(shù)據(jù)[4]，對(duì)于大約 180uF 450V 的額定值，鋁電解類(lèi)型的計(jì)算約為 0.47 美元/焦耳，薄膜類(lèi)型的能量存儲(chǔ)約為 3 美元/焦耳。對(duì)于紋波電流，鋁電解為 2.68 美元/安培，薄膜型為 0.42 美元/安培。這顯示了近 6:1 的成本優(yōu)勢(shì)如何逆轉(zhuǎn)，具體取決于應(yīng)用要求。在大批量時(shí)，絕對(duì)成本會(huì)更低，但比率可能保持相似。

薄膜電容器作為緩沖器

電源轉(zhuǎn)換器中電容器的另一個(gè)高價(jià)值應(yīng)用是“緩沖”，即刻意減慢開(kāi)關(guān)波形以降低 EMI 和半導(dǎo)體應(yīng)力。在這里，重要的考慮因素是電容器承受高 dV/dt 或施加的電壓變化率的能力，這可能會(huì)將高 rms 電流推入組件。同樣，聚丙烯是一個(gè)很好的選擇，特別是當(dāng)金屬化是雙面的并且與金屬箔結(jié)合制造以承受高電流時(shí)。用于該應(yīng)用的電容器通常還具有非常低的電感端接，以實(shí)現(xiàn)對(duì) AC 的低阻抗，以及高耐壓裕度，以應(yīng)對(duì)有時(shí)不確定的峰值電壓。

薄膜電容器作為電源濾波器

盡管濾波通常被視為一種信號(hào)電平功能，但在逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，輸出電容器會(huì)傳遞高紋波電流，以防止電纜上的高 dV/dt 水平導(dǎo)致應(yīng)力和 EMI。當(dāng)交流電被傳遞到負(fù)載時(shí)，電容器必須是非極化的，無(wú)論如何不包括使用鋁電解電容器。應(yīng)用環(huán)境通常很苛刻，需要聚丙烯電容器的穩(wěn)健性、紋波額定值和體積效率。

EMI 濾波器

薄膜電容器廣泛用于電源線 EMI 濾波器，與其說(shuō)是因?yàn)樗鼈兊募y波電流額定值，不如說(shuō)是因?yàn)樗鼈兙哂须S電壓瞬變發(fā)生的自愈特性。機(jī)構(gòu)安全等級(jí)的聚丙烯電容器通常在線路上分別承受 4kV 和 2.5kV 時(shí)的額定值為“X1”或“X2”，并且可以達(dá)到幾個(gè) μF 的值以滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。用于衰減共模發(fā)射的線對(duì)地電容器是額定電壓為 8kV 和 5kV 的“Y1”和“Y2”類(lèi)型，但受線路漏電流考慮的限制。在這些 EMI 濾波應(yīng)用中，典型薄膜電容器的低自感是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，可保持較高的自諧振。

電力電子中的薄膜電容器應(yīng)用廣泛，在需要高紋波電流額定值或環(huán)境施加過(guò)壓應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出色，聚丙烯類(lèi)型特別有價(jià)值。當(dāng)比較薄膜和鋁電解的 CV 額定值時(shí)，更深入的分析表明，雖然鋁電解類(lèi)型在簡(jiǎn)單的儲(chǔ)能考慮方面勝出，但當(dāng)薄膜通常是更好的選擇時(shí)，實(shí)際的元件選擇必須包括紋波電流額定值和可靠性考慮。