薄膜電容替代電解電容在DC-Link電容中的運用分析

0 引言

隨著各國出臺新能源相關(guān)政策以及新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，該領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶來了新機遇，電容器作為必不可少的上游相關(guān)產(chǎn)品行業(yè)也獲得了新的發(fā)展機遇。在新能源及新能源汽車運用中，電容器在能源控制、電源管理、電源逆變以及直流交流變換等系統(tǒng)中是決定變流器壽命的關(guān)鍵元器件。變流技術(shù)在上述系統(tǒng)中普遍得到運用，然而在逆變器中直流電作為輸入電源，需通過直流母線與逆變器連接，該方式叫作DC-Link或直流支撐。因逆變器在從DC-Link得到有效值和峰值很高的脈沖電流的同時，會在DC-Link上產(chǎn)生很高的脈沖電壓使得逆變器難以承受。所以需要選擇DC-Link電容器來連接，一方面以吸收逆變器從DC-Link端的高脈沖電流，防止在DC-Link的阻抗上產(chǎn)生高脈沖電壓，使逆變器端的電壓波動處在可接受范圍內(nèi);另一方面也防止逆變器受到DC-Link端的電壓過沖和瞬時過電壓的影響。

為新能源(含風力發(fā)電和光伏發(fā)電)以及新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)中DC-Link電容器的運用示意圖圖1、2.

圖1為風力發(fā)電變流器電路拓撲圖，其中C1為DC-Link(一般整合到模塊上)，C2為IGBT吸收，C3為LC濾波(網(wǎng)側(cè))，C4轉(zhuǎn)子側(cè)DV/DT濾波。圖2為光伏發(fā)電變流器電路拓撲圖，其中C1為DC濾波，C2為EMI濾波，C4為DC-Link,C6為LC濾波(網(wǎng)側(cè))，C3為DC濾波，C5為IPM/IGBT吸收。圖3為新能源汽車系統(tǒng)中主電機驅(qū)動系統(tǒng)，其中C3為DCLink,C4為IGBT吸收電容。

在上述提到的新能源領(lǐng)域運用中，DCLink電容作為一個關(guān)鍵器件，不管是在風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)還是在新能源汽車系統(tǒng)中都要求高可靠性及長壽命，其選型顯得尤為重要。下面介紹薄膜電容與電解電容的特性對比及在DC-Link電容運用中兩者的分析對比：

1.特性對比

1.1 薄膜電容

首先介紹薄膜金屬化的原理，薄膜金屬化技術(shù)的原理：在薄膜介質(zhì)表面蒸鍍上足夠薄的金屬層，在介質(zhì)存在缺陷的情況下，該鍍層能夠蒸發(fā)并因此隔離該缺陷點起到保護作用，這種現(xiàn)象被稱作自愈。圖4為金屬化鍍膜的原理圖，蒸鍍前薄膜介質(zhì)先進行前期處理(電暈或其他方式)以便金屬分子能夠附著在上面。金屬通過在真空狀態(tài)下高溫溶化蒸發(fā)(鋁的蒸發(fā)溫度1400攝氏度~1600攝氏度，鋅的蒸發(fā)溫度400攝氏度~600攝氏度)，當金屬蒸氣遇被冷卻的薄膜后凝結(jié)在薄膜表面(薄膜冷卻溫度-25攝氏度~-35攝氏度)，從而形成金屬鍍層。金屬化技術(shù)的發(fā)展提高了單位厚度的薄膜介質(zhì)的介電強度，干式技術(shù)脈沖或放電運用電容設(shè)計可以達到500V/μm,直流濾波運用電容設(shè)計可以達到250V/μm.DC-Link電容屬于后者，根據(jù)IEC61071對于電力電子運用電容的要求可以承受較為苛刻的電壓沖擊，可以達到2倍的額定電壓。因此使用者只需考慮其設(shè)計所需的額定工作電壓就可以了。金屬化薄膜電容器具有較低的ESR,使其能承受較大的紋波電流;較低的ESL滿足逆變器的低電感設(shè)計要求，減少了開關(guān)頻率下的震蕩效應(yīng)。

薄膜介質(zhì)的質(zhì)量、金屬化鍍層質(zhì)量、電容器設(shè)計及制造過程工藝決定了金屬化電容器自愈特性的好壞。Faratronic生產(chǎn)的DC-Link電容用的薄膜介質(zhì)主要為OPP薄膜。

1.2 電解電容

電解電容使用的介質(zhì)為鋁經(jīng)過腐蝕形成的氧化鋁，介電常數(shù)為8~8.5,工作的介電強度約為0.07V/A(1μm=10000A)，按照計算對于900Vdc的電解電容需要的厚度為12000A.然而要達到這樣的厚度是不可能的，因為為了獲得好的儲能特性所用鋁箔要進行腐蝕形成氧化鋁膜，表面會形成許多凹凸不平的曲面，鋁層厚度會降低電解電容的容量系數(shù)(比容)。另一方面，低電壓的電解液電阻率為150Ωcm,高電壓(500V)的電解液的電阻率則達到5kΩcm.

電解液較高的電阻率限制了電解電容所能承受的有效值電流，一般為20mA/μF.

基于上述原因電解電容的設(shè)計最高電壓典型值為450V(有個別廠家設(shè)計600V)。

因此，為了獲得更高的電壓必須用電容器串聯(lián)實現(xiàn)，然而因各個電解電容的絕緣電阻存在差異，為了平衡各串聯(lián)電容的電壓，各電容必須連接一個電阻。此外，電解電容為有極性器件，當施加反向電壓超過1.5倍Un時，會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。當施加的反向電壓時間足夠長，電容將發(fā)生爆炸，或冒頂電解液將外溢。為了避免該現(xiàn)象發(fā)生，使用的時候要在每個電容旁并上一個二極管。除此之外，電解電容的耐電壓沖擊特性，一般為1.15倍Un,好的可以達到1.2倍Un.這樣設(shè)計師在使用時就不但要考慮穩(wěn)態(tài)工作電壓大小，而且還要考慮其沖擊電壓大小。

綜上所述，可以得出薄膜電容與電解電容如下特性對比表，見表1.

2.運用分析

DC-Link電容作為濾波器要求大電流和大容量設(shè)計。如圖3提到的新能源汽車主電機驅(qū)動系統(tǒng)就是一個例子。在該運用中電容起到退耦作用，電路特點工作電流大。薄膜DC-Link電容具有較大優(yōu)勢，能承受較大的工作電流(Irms)。以50~60kW新能源汽車參數(shù)為例，參數(shù)如下：工作電壓330Vdc,紋波電壓10Vrms,紋波電流150Arms@10KHz.

那么最小電容量計算為：

這樣對于薄膜電容設(shè)計很容易實現(xiàn)。假設(shè)采用電解電容，如果考慮20mA/μF,那么為了滿足上述參數(shù)， 計算電解電容最小的容值為：

這樣需要多個電解電容并聯(lián)獲得該容值。

在過電壓運用場合，如輕軌、電動巴士、地鐵等，考慮這些動力通過受電弓連接到機車集電弓，在運輸行進過程中受電弓與集電弓的接觸是間續(xù)的。當兩者不接觸時通過DC-Link電容進行支撐供電，當兩者接觸恢復(fù)時過電壓就會產(chǎn)生。最壞的情況是斷開時由DC-Link電容完全放電，此時放電電壓等于受電弓電壓，當恢復(fù)接觸時，其產(chǎn)生的過電壓幾乎就是額定工作時的2倍Un.對于薄膜電容DC-Link電容可以處理不需額外考慮。如果采用電解電容，過電壓為1.2Un .以上海地鐵為例，Un=1500Vdc,對于電解電容要考慮電壓為：那么要用6個450V的電容進行串聯(lián)連接。若采用薄膜電容設(shè)計在600Vdc到2000Vdc,甚至3000Vdc都容易實現(xiàn)。此外，在電容完全放電情況下能量在兩電極間形成短路放電，產(chǎn)生很大沖擊電流通過DC-Link電容，通常電解電容很難滿足要求。

另外，相對于電解電容DC-Link薄膜電容器通過設(shè)計可以達到很低的ESR(通常低于10mΩ，更低的<1mΩ)和自感LS(通常低于100nH,有的可以低于10或20nH)。這樣在運用時DC-Link薄膜電容器可直接安裝到IGBT模塊，可以把母線整合到DC-Link薄膜電容器中，因此采用薄膜電容器則不再需要專門的IGBT吸收電容，為設(shè)計者節(jié)約了一筆不小的費用。表2和表3為Faratronic C3A和C3B部分產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)。

3.結(jié)論

作為直流支撐濾波用電容，DC-Link電容早期考慮到成本及尺寸因素大部分選擇電解電容。然而電解電容受到耐壓、電流承受能力(相對薄膜電容ESR高很多)等因素的影響，為了獲得大容量和滿足高壓使用要求，則必須要用多個電解電容進行串、并聯(lián)。另外考慮到電解液材料的揮發(fā)，所以要定期進行更換，新能源運用一般要求產(chǎn)品壽命要達15年，那么在這段時間內(nèi)必須更換兩到三次，因而在整機售后服務(wù)方面存在不小的費用和不方便性。隨著金屬化鍍膜技術(shù)及薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展，采用安全膜蒸鍍技術(shù)已經(jīng)可以用超薄OPP膜(最薄2.7μm,甚至2.4μm)生產(chǎn)出電壓450V到1200V甚至更高電壓的大容量直流濾波電容。另一方面通過DC-Link電容與母排整合，使得逆變器模塊設(shè)計更加緊湊，大大降低了電路的雜散電感使電路更加優(yōu)化。

以此同時，薄膜電容制作成本在不斷下降，相比電解電容更凸顯其經(jīng)濟性，在要求工作電壓高、承受高紋波電流(Irms)、有過電壓要求、有電壓反向現(xiàn)象、處理高沖擊電流(dV/dt)以及長壽命要求的電路設(shè)計中，選擇DC-Link薄膜電容替代電解電容將成為設(shè)計者今后設(shè)計選擇的一種趨勢。