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差異化因素。舉個例子，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，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)會看到電容器在這個位置的經(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)。每個電容器的 ESR 約為 1ohm，因此在 3.5A rms 的情況下，每個電容器的功耗約為 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。

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 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，這可能會將高 rms 電流推入組件。同樣，聚丙烯是一個很好的選擇，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)動器中，輸出電容器會傳遞高紋波電流，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 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。