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)用的不同類型的電容器。特別是，對電解和薄膜類型進(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型及其結(jié)構(gòu)，并確定了優(yōu)選的類型。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)行測量。在此應(yīng)用中，有時(shí)似乎可以在鋁 (Al) 電解液和薄膜類型之間進(jìn)行選擇，但就存儲的能量密度而言，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儲能應(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

薄膜電容器類型確實(shí)比它們的鋁電解表親有一些優(yōu)勢。對于相同的 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。它們對電壓過應(yīng)力的耐受性也相對更強(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)等離子弧來清除短路。但這僅在壓力范圍內(nèi)有效;由于碳沉積和對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% 的電壓過應(yīng)力，而薄膜類型的數(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、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)千安培測量的高頻紋波電流，其中低電容器 ESR 對于實(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型。相同的能量在高壓下以較小的 CV 額定值存儲(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)，盡管可以使用類似范圍的端接。與鋁電解不同的是，薄膜類型是非極性的，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)用的有力競爭者，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。薄膜在沉積過程中保持低溫，通常為 -25°C 至 -35°C。在此過程中，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)百萬個(gè)區(qū)域，狹窄的“門”將電流饋入這些部分并充當(dāng)嚴(yán)重過載的保險(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，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。局部放電的檢測依賴于專用設(shè)備，通過高壓測試期間流動(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侖為單位測量，但很難檢測到，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 是通過絕緣體的兩個(gè)示例場強(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從絕緣界面置換具有較低擊穿閾值的空氣來治療 PD。樹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型的一個(gè)差異化因素。舉個(gè)例子，看看每種類型是如何適合的，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)的高級電容器，它大約為 3 立方英寸或 52cm 3。要從 TDK B32678 系列中類似等級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。如果我們再看一下薄膜電容器，同樣來自 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，并比較每焦耳儲能值和每安培紋波電流額定值。使用來自高服務(wù)分銷商的數(shù)據(jù)[4]，對于大約 180uF 450V 的額定值，鋁電解類型的計(jì)算約為 0.47 美元/焦耳，薄膜類型的能量存儲約為 3 美元/焦耳。對于紋波電流，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)勢如何逆轉(zhuǎn)，具體取決于應(yīng)用要求。在大批量時(shí)，絕對成本會(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 AC 的低阻抗，以及高耐壓裕度，以應(yīng)對有時(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，與其說是因?yàn)樗鼈兊募y波電流額定值，不如說是因?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)射的線對地電容器是額定電壓為 8kV 和 5kV 的“Y1”和“Y2”類型，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，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)境施加過壓應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出色，聚丙烯類型特別有價(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，雖然鋁電解類型在簡單的儲能考慮方面勝出，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。