電容器在電力電子中的應(yīng)用，緩沖器、濾波器和EMI

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(jí)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(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瑯觼碜?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(chǔ)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(duì)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(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(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(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。