雖然電容器版本沒有太大變化，但現(xiàn)在有許多新的電源應用，例如替代能源、電動汽車 (EV)、儲能等。本文將比較各種技術并考慮一些使用示例。
鋁電解有他們的一天嗎?
成本是許多現(xiàn)代系統(tǒng)的主要驅動因素，鋁電解電容器的成本繼續(xù)低于等效薄膜電容器，使其在大容量儲能應用中很受歡迎?？梢酝ㄟ^針對預期應用對它們進行適當降級來消除它們具有較低壽命和可靠性的概念。此外，一般來說，它們?nèi)匀荒軌蛱峁┍缺∧ゎ愋透玫膯挝惑w積能量存儲——除了分段高結晶金屬化聚丙烯等專業(yè)類型之外。鋁電解在許多應用中發(fā)現(xiàn)的高溫下表現(xiàn)更好，特別是在紋波電流額定值等參數(shù)方面。
薄膜電容哪里好?
薄膜可以提供低得多的 ESR 額定值，顯著提高紋波電流性能，并且可以提供更好的浪涌額定值。由于它們的結構，它們還提供更好的可靠性，因為它們可以在壓力后“自我修復”，具體取決于壓力重復的數(shù)量和頻率。在電動汽車中，沒有“保持”要求，因此薄膜電容器在這里是理想的，而且隨著電池組的增加和總線電壓的升高，薄膜電容器的額定電壓是一個好處。在這里使用鋁電解電容器需要復雜(且昂貴)的串聯(lián)電壓平衡電阻器，以克服其 550V 左右的額定電壓。
哪個更好?
在理想條件下，可靠性差異并不大，雖然薄膜電容器可以承受 100% 的過壓，但電解液經(jīng)常會在超過 20% 的過壓下?lián)p壞。在正常操作中，偶爾會出現(xiàn)壓力，而自修復薄膜類型可以更好地應對這種情況，尤其是因為電解液可能會短路和嚴重失效，從而導致整組組件失效。
實際上，薄膜更易于使用——它不是極化的，因此不會錯裝——并且連接的形式因素和范圍使安裝更容易。
薄膜電容器類型
在“薄膜”的通用標題中，有許多具有不同性能的不同電介質 。
如果壓力下的損耗和可靠性是主要考慮因素，那么聚丙烯 (PP) 是最佳選擇，因為它具有低損耗因子 (DF) 和高介電強度。低 DF 表示較低的損耗和較低的發(fā)熱。然而，其他類型在給定尺寸下存儲更多電荷或在高溫下更好，聚酯 (PET) 仍然是低壓應用的最佳選擇。
PP電容的結構
使用金屬箔和沉積金屬化的薄膜電容器結構主要有兩種類型。。
對于高峰值電流，在介電層之間插入 5 微米金屬箔，但這不具有自愈特性。
或者，可以使用真空形成的金屬化膜。鋁金屬化是在高溫下沉積的，盡管鋅或鋁鋅合金是替代品。如果發(fā)生擊穿，局部加熱(高達 6000 o C)會形成等離子體，從而停止放電并修復缺陷。隨著時間的推移，電容會因為這個過程而減少，從而可以確定電容器的老化情況——并在需要時進行更換。
可以通過將膠片分成數(shù)百萬個區(qū)域來解決嚴重過載問題，每個區(qū)域的電流都充當保險絲。額外的安全裕度允許更高的電壓額定值，但確實會降低峰值電流處理。
帕申曲線
由于材料的介電強度為 650V/μm，PP 電容器具有數(shù)千伏的擊穿電壓。然而，在這些高電壓下，局部放電 (PD) 或電暈是可能的。材料中的微孔或氣隙分解，留下微量的碳。最初，這幾乎沒有影響，但隨著時間的推移可能會導致突然和完全崩潰。
有幾種方法可以解決 PD。一種是用油填充高壓電容器，從而去除氣孔?；蛘?，電容器可以在外殼內(nèi)分段，以減少低于起始電壓的電壓應力。減小電介質厚度是另一種通過減小電壓梯度起作用的方法。
結合箔和金屬化的“混合”方法可以在提高峰值電流能力和自愈能力之間取得平衡。
薄膜電容器應用
一個應用示例是具有 90% 效率和功率因數(shù)校正 (PFC) 前端的 1kW 離線電源?？紤]到電源波動，需要 20ms 的穿越(保持)來阻止總線電壓降至 300V 的壓降電壓以下，之后輸出會受到影響。
存儲在 C1 中的能量在保持時間內(nèi)保持輸出，必要的電容器大小由下式計算：
在一個實際的例子中，使用鋁電解，這將是大約 52cm 3 (3 立方英寸)，例如TDK-EPCOS B43508系列。薄膜電容器需要并聯(lián)大約 15 個 TDK-EPCOS EPCOS B32678。對于 1500 cm 3 (91 立方英寸)的尺寸，這不是一個可行的解決方案。
如果這是一輛電動汽車，那么總線電壓將來自電池，而電容器將僅管理紋波而無需保持要求。通常，這可能是來自以 20 kHz 運行的 80 A rms 轉換器的 4 V rms。電容變?yōu)椋?
然而，一個 EPCOS TDK-EPCOS B43508系列 180 μF 450 V 電解液在 60?o C時的額定紋波電流僅為 3.5 A rms 。因此，需要并聯(lián) 23 個電容，導致電容為 4140 μF，而體積為 1200 cm 3 ( 73 立方英寸)。有趣的是，這驗證了電解液的 20 mA/μF“經(jīng)驗法則”紋波電流額定值。
一個薄膜選項是EPCOS B32678，其中四個并聯(lián)將在 402cm 3 (24.5 立方英寸)范圍內(nèi)給出 132 A rms 的額定值——如果工作溫度較低，這可以進一步降低。薄膜還具有更好地應對瞬態(tài)過電壓的優(yōu)勢。
如果設計人員堅持使用電解，則必須管理與巨大電容相關的浪涌電流。
這個例子經(jīng)常出現(xiàn)在 UPS 系統(tǒng)、風能和太陽能、焊接和并網(wǎng)逆變器中。
其他應用：去耦和緩沖
許多電源應用，包括逆變器，都需要緩沖或去耦。通常，如果有足夠的空間，則首選薄膜/箔，因為金屬化設備需要特殊的設計和制造。
在去耦應用中，電容器放置在直流電軌上，允許高頻電流通過。該電容器的額定值通常為每 100A 開關電流 1μF。
如果沒有安裝去耦電容器，電流會通過更高電感的回路循環(huán)，從而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓，即使是幾 nH 的電感也會產(chǎn)生很大的電壓，di/dt 值通常為 1000 A/μs。PCB 走線通常會引入 1nH/mm 的寄生電感，這意味著短走線是必不可少的。
為了抑制 IGBT 或 MOSFET 上的 dV/dt，需要在電容器中添加一個電阻器/二極管網(wǎng)絡。
緩沖通過減慢振鈴來控制 EMI。由于高水平的 dV/dt，它還可以阻止雜散開關，尤其是 IGBT。電容器的值可以通過將開關輸出電容和安裝電容之和加倍來確定。選擇電阻值以實現(xiàn)任何振鈴的臨界阻尼。其他最佳方法是可用的，例如 McMurray [4] 中的方法。
在電源應用中過濾 EMI
由于具有自我修復和承受瞬變的能力，安全等級的 PP 電容器通常用于在線到中性線的電源應用中，以衰減差模 EMI。這些電容器需要承受 4 kV 或 2.5 kV 瞬態(tài)電壓，額定值為X1 或 X2。各種 EMC 標準需要微法拉值才能達到標準合規(guī)性。
在線對地應用中，使用具有 8 kV 和 5 kV( Y1 和 Y2)瞬態(tài)額定值的 Y 型電容器可以降低共模噪聲。由于薄膜電容器的低連接電感，自諧振仍然很高，前提是與地/地的連接保持較短。
過濾電機驅動器和逆變器
由于電機通常遠離驅動器，因此需要進行濾波以降低系統(tǒng) EMI，從而滿足整體 EMC 要求并降低電纜和電機的電壓應力。由于高紋波電流額定值、體積效率和可靠性，PP 薄膜電容器非常理想。電感器和電容器形成一個低通濾波器，并且可以一起封裝在一個濾波模塊中。
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