太陽能逆變器中能量緩沖器電容器的選擇

太陽能逆變器在太陽能電池板和主電網(wǎng)之間扮演著接口的角色。如圖1所示，在太陽能逆變器內(nèi)部會發(fā)生兩個功率轉(zhuǎn)換過程。一個DC/DC轉(zhuǎn)換器控制著太陽能電池板的工作點，使之達(dá)到最大的功率輸出。DC/AC轉(zhuǎn)換器把這部分功率輸送到主電網(wǎng)，同時執(zhí)行主電網(wǎng)運營商設(shè)立的各種管控規(guī)則。能量緩沖器會吸收掉兩個轉(zhuǎn)換器之間功率流的差值。成功實現(xiàn)這個過程在很大程度上取決于你為能量緩沖器選擇的電容器。本文介紹了在薄膜電容器和鋁電容器之間如何進(jìn)行取舍，以及你在選擇一個或其他電容器時需要考慮的因素。

圖1：太陽能逆變器框圖：太陽能電池板及U/I特性，DC/DC，能量緩沖器，DC/AC，主電網(wǎng)

初步考慮因素

通過安裝能量緩沖器，你可以把從太陽能電池板汲取最大功率，同如何把這種能量注入到主輸配電系統(tǒng)這兩件事分開處理。而且，這么做會降低設(shè)計的復(fù)雜度。

能量緩沖器的大小是由需要儲存能量的多少決定的，能量的多少取決于太陽能逆變器的功率等級，以及儲存和釋放能量這兩個過程之間的時間長短。可供參考的是，如果時間差小于1秒鐘，使用薄膜電容器或鋁電容器都沒問題。如果時間超過1秒鐘，你就應(yīng)該考慮使用一個電化學(xué)雙層電容器或電池組。但這兩種技術(shù)都要求每個電池單元的電壓在1V至4V之間。接到主電網(wǎng)需要的電壓等級更高，要求把幾個電池連成一串，因此就需要增加用來保持平衡的電子器件。由于驅(qū)動電池或電化學(xué)雙層電容器單元有一些特殊要求，這種功能通常是由一個獨立的功率電子模塊來實現(xiàn)的，對模塊的詳細(xì)介紹超出了本文的討論范疇。

薄膜電容器和鋁電容器有一些使用限制，會影響到太陽能逆變器的服務(wù)壽命和可靠性。因此你需要詳細(xì)列舉在長時間工作條件下的變化情況，重要參數(shù)是器件環(huán)境溫度、工作電壓、紋波電流和持續(xù)時間。表1給出了一個非常簡單的工作狀況的例子。

表1：工作狀況的簡單示例

電容器基礎(chǔ)知識

薄膜和鋁電容器是兩種在平行基板電容器基礎(chǔ)上演變出來的電容器。圖2顯示了這兩種電容器的基本結(jié)構(gòu)，標(biāo)出了主要的不同點。

圖2：電容器結(jié)構(gòu)：平行基板，薄膜電容器，鋁電容器

圖片顯示內(nèi)容：平行基板電容器，金屬，隔離層，從金屬基板上延展出來的金屬和引線;薄膜電容器，兩個水平相互錯開的金屬箔的金屬面通過小顆粒及小顆粒上延展出來的引線實現(xiàn)接觸;鋁電容器，帶有兩個細(xì)孔和氧化物的刻蝕鋁箔、紙/電解液，以及帶有從鋁基板上延展出來的引線的鋁箔

在太陽能逆變器中，用做能量緩沖器的薄膜電容器由兩層卷繞在一起的金屬化聚丙烯組成。聚丙烯的厚度決定了電壓等級，電壓等級可以達(dá)到數(shù)千伏。聚丙烯上的金屬化部分通過噴灑在卷繞膜上的金屬微粒實現(xiàn)接觸。接頭引線就焊在這個金屬化部分上。

鋁電容器由兩層鋁箔組成，中間夾著一層或兩層紙，用導(dǎo)電液體即電解液填充。接頭焊在每個鋁層上。第一層鋁有孔洞，以增加表面積，上面覆蓋一個厚氧化物層。第二層鋁只用來接觸電解液。電壓等級受氧化物層厚度和電解液成分的限制，在實際應(yīng)用中一般在500V左右。

薄膜電容器與鋁電容器的性能特性

圖3：采用鋁電容器的太陽能逆變器

薄膜電容器幾乎說是一種理想的電容器。這種電容器的容量不會隨著溫度而顯著變化，在充電/放電 (紋波電流) 時幾乎不會發(fā)熱。由于電容器結(jié)構(gòu)的原因，對于電流回路來說是短路，因此電感很低，使其能用在很寬的頻率范圍內(nèi)，通?？梢赃_(dá)到數(shù)兆赫茲。

鋁電容器的問題要多一些。細(xì)孔加上導(dǎo)電性一般的電解液，使這種電容器的容值會隨著溫度和頻率而發(fā)生變化。在鋁和紙/電解液組合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的歐姆損耗，以及在不完美的氧化物層中會產(chǎn)生與頻率相關(guān)的損耗，使電容器在充電/放電的時候會發(fā)熱，限制了電容器的紋波電流處理能力。最后還有一點尤其重要，由于電解液會與電容器中的其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電特性過一段時間后會發(fā)生變化，使電容器達(dá)到使用壽命后失效率會增高。由于化學(xué)反應(yīng)的速度隨電容器溫度的降低而降低，需要根據(jù)太陽能逆變器的工作狀況計算電容器的壽命。

如果在薄膜電容器中出了什么問題，比如電介質(zhì)擊穿或是碰到一個非常高的電流脈沖(高dU/dt)，金屬化層或是連到金屬化層的觸點就會被破壞。最后，薄膜電容器會變成開路狀態(tài)。

如果鋁電容器中出了什么問題，結(jié)果更難預(yù)料。由于電介質(zhì)擊穿導(dǎo)致的接頭損壞，表現(xiàn)出來的結(jié)果可以是短路、開路，或是中間的什么狀態(tài)，比如泄漏電流會增高。如果鋁電容器過熱，而且還連到電源上，其溫度會升到電解液的沸點以上，大概能達(dá)到200 °C。所產(chǎn)生的內(nèi)部壓力會使泄壓裝置打開，電解液會流出來，卷繞層會變干。

薄膜電容器與鋁電容器的設(shè)計要點

當(dāng)需要在兩種技術(shù)中間進(jìn)行選擇時，性能并不是全部考慮因素，元件的尺寸也很重要，價格也是一個因素。要始終牢記的是薄膜電容器和鋁電容器如何達(dá)到預(yù)期的效果?

鋁電容器的空間效率肯定比薄膜電容器要高。一個470 µF/450 V鋁電容器的體積只有一個470 µF/450 V薄膜電容器的15%。

另一方面，鋁電容器的壽命有限，損耗更大。對于一個要求能工作20年或高功率等級的太陽能逆變器，薄膜電容器因其具有更低的損耗和無限的壽命，是更佳的選擇。

僅就元件成本而言，鋁電容器占有絕對優(yōu)勢，同樣是470 µF/450 V，薄膜電容器的成本是相對應(yīng)的鋁電容器的5倍甚至更多。然而，鋁電容器一般需要額外的保護(hù)電路。相反，薄膜電容器幾乎不需要用來防止發(fā)生故障的外圍元件。尤其是高功率等級的太陽能逆變器，能夠處理發(fā)熱問題的電容器是更佳選擇，因為這樣有助于大大降低成本，例如不需要用水來冷卻元器件。

結(jié)論

選擇太陽能逆變器中能量緩沖器的技術(shù)可不是一件簡單的事情。你需要考慮很多因素，這些因素可能涉及到元器件行為的一些細(xì)節(jié)問題。因此，明智的選擇是找一個經(jīng)驗豐富的供應(yīng)商，在設(shè)計過程的初期就充分利用供應(yīng)商的設(shè)計專長，確保你所選擇的技術(shù)能夠最終滿足你的所有需求。

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