薄膜电容器与应用

薄膜电容器与应用 薄膜电容器 1876年英国D 斐茨杰拉德发明纸介电容器 这就是薄膜电容器的始祖 有机介质由于其性能优异而大量应用 有机介质可以分为聚乙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 聚丙烯 聚酯 聚碳酸酯 聚酰亚胺 聚砜 聚苯硫醚 漆膜等 对于电力电子线路来说 应用最多的是聚酯电容器 聚丙烯电容器 薄膜电容器的特点 无极性ESR极低允许比较高的电流流过工作电压可以很高温度范围宽基本上无寿命限制金属化电极具有自愈功能 薄膜电容器的基本参数 额定直流电压 额定交流电压电容量ESR ESLdv dt 有效值电流 峰值电流工作温度 额定直流电压 额定交流电压 额定直流电压 是在整个温度范围内允许持续施加的直流电压 试验电压 电容器出厂前形式试验时对电容器施加的电压 一般在1 5 2倍 持续时间2分钟或500小时 介电强度 电容器的介质所能承受的电压 这个电压高于试验电压 额定交流电压 电容器工作在交流电压下可以连续施加的交流电压有效值 额定交流电压与额定直流电压关系 在一般情况下 额定交流电压与额定直流电压关系为 电容器的交流电压与频率的关系 当交流电的频率很低时 流过电容器的电流也很低 这是电容器所允许施加的交流电压为额定交流电压 随着频率的升高 流过电容器的电流增加 当流过电容器的电流达到电容器的额定电流时 将不允许继续增加电流 为了限制电流 需要电压降额 随着频率继续升高 电容器的介质损耗上升 由于电容器所允许的损耗为一定值 介质损耗增加 将要求ESR损耗降低 也就是说要进一步降低电流有效值 来保证电容器的损耗为额定值 电容器的电压与频率的关系 电容器可承受的交流电压 电流与频率的关系 薄膜电容器电压与频率的关系 当频率升高到一定程度时 薄膜电容器允许施加的电压将随频率的升高而降低 薄膜电容器电压与温度的关系 薄膜电容器在不同温度下可承受的交流电压 电容量的变化与温度的关系 ESR ESL与阻抗频率特性 dv dt 峰值电流 有效值电流 电容器的电流与dv dt的关系 当dv dt为峰值时 对应的电流为峰值电流 电容器允许的有效值电流受流过的电流在ESR上的损耗限制 工作温度 不同的介质 电容器的最高工作温度不同 一般来说 聚酯电容器的最高工作温度为 125 聚丙烯电容器多为 85 损耗因数与频率的关系 损耗因数与温度的关系 应用薄膜电容器需要注意的问题 应用条件 工作电压状态电压变化速率流过电容器的有效值电流与峰值电流 薄膜电容器在电力电子线路中的主要作用 旁路缓冲与箝位谐振平滑与直流支撑急剧放电电源电磁干扰抑制 薄膜电容器用作旁路 目的 降低直流母线阻抗 吸收来自负载的纹波电流 抑制直流母线电压因负载突变而出现的波动 薄膜电容器用于直流母线旁路 对性能的要求 尽可能低的ESR满足要求的电容量满足要求的额定有效值电流和峰值电流 薄膜电容器用作缓冲与箝位 目的对性能的要求 电容器用于箝位 电容器作为缓冲电容器 电容器用于准谐振与有源箝位 薄膜电容器用于谐振式变换器 目的 与电感共同实现谐振功能对性能的要求 在相应频率下更够承受足够的交流电压 电流 谐振式变换器电路 LLC谐振式变换器特点 低噪声 谐振式变换器 谐振式高频感应加热功率变换器 中频感应加热功率变换器 电路详见电力电子技术教材特点 为了降低成本 高输出功率 晶闸管逆变器为了获得更高的负载电流 采用并联谐振方式电容器的电流接近于负载电流 中频感应加热电容器 特点 电容量大无功功率高大电流需要水冷 薄膜电容器实现平滑与直流支撑功能 目的 平滑整流后直流电压旁路 吸收 逆变器的纹波电流 改善直流母线电压质量 对性能的要求 膜电容特别适合这种应用 因为直流支撑电容的主要标准是有效值电流的承受能力 这意味着直流支撑电容能够以有效值电流来设计 实例 以电瓶车为例 要求的数据工作电压 120VDC允许的纹波电压 4VRMS有效值电流 80ARMS 20kHz最小容值为在膜电容中 很容易找到接近的容值 如果采用铝电解电容器 与电解电容比较 以每 F20mA为例 为了承受80A有效值电流 最小容值实际上可能需要两只4000 F的电解电容器并联 电容器在电网供电时平滑与旁路作用 实例 容值的确定应从电网频率比逆变器频率低入手 使用下述等式确定容值 流过电容的有效值电流为 近似表示式 该电流没有考虑逆变器侧的电流 如果直流电压1000V 纹波电压200V Irms P 1MW 2468Arms P 500kW 1234Arms P 100kW 247Arms 频率与电容量的关系 频率与电容来的关系低频部分 对电容量的要求 1 为了方便比较 我们选择电流承受能力为20mA每 F的电解电容考虑到0 2Arms F 有效值电流为2468A时 需要的最小容值为123 4mF 对应图中曲线的值 我们可以看到对频率低于100Hz的整流器 使用膜电容 该容值同样是需要的 对电容量的要求 2 因此 对于三相 六整流管的整流器 频率为 我们可以看到对应1MW的曲线 需要18 5mF的容值 与电解电容相比 如使用膜电容方案 体积几乎可以缩小4倍 同时有更高的可靠型 比较低的功率情况 在更低功率的情况下 同样能够给出相同的结果 对于10kW的功率 虽然容值变得很小 但是膜电容仍然是最好的解决方案 甚至在100Hz整流器频率 只需要555 F的电容 供电电压与纹波电压仍然与前面相同 10kW逆变器对电容量的要求与频率的关系 滤波与平滑用薄膜电容器 滤波与平滑用电容器是用来平滑整流器输出的电压 电流 在电压低于450V时通常应用价格低廉的铝电解电容器 当电压高于500V低于700V时仍可以应用铝电解电容器串联的方式 但是在需要高可靠的场合与电压高于1000V或更高时则应用薄膜电容器作为滤波电容器为好 薄膜电容器作为滤波电容器的应用实例 薄膜电容器作为滤波电容器 薄膜电容器作为滤波电容器 薄膜电容器作为滤波电容器电极结构 安全要求 即使局部击穿也不会造成整个电容器的短路 如图电极结构可以在电容器的某一部分击穿是利用熔断电极狭窄部分切断与整体的联系 B25645 A4180 J 1的额定参数 额定电容量 CN 1000 F 5 额定电压 UN DC400V 储能 WN 80WS 最大纹波电流有效值 Imax 60A 寄生电感 Lself 5nH 损耗因数 tan 0 50 10 4 ESR 0 9m 最大参数 浪涌电压 US 450V 浪涌电流 IS 5kA du dt S 5V s 测试参数 UTT DC550V 10秒 绝缘电阻 Ris C 10000秒 损耗角正切 50Hz 60 10 4 B25655 A1148 K000的额定参数 额定电容量 CN 1450 F 10 额定电压 UN DC1250V 交流输入电压 Ui 1100V 储能 WN 1100Ws 最大纹波电流有效值 Imax 135A 寄生电感 Lself 40nH 损耗因数 tan 0 2 10 4 ESR 0 8m 最大参数 交流输入浪涌电压 U 1500V 浪涌电压 US 1900V 交流输入浪涌电流 I 2kA 浪涌电流 IS 20kA du dt max 1V s du dt S 14V s 测试参数 UTT DC1900V 10秒 UTC DC3500V 10秒 绝缘电阻 Ris C 10000秒 损耗角正切 50Hz 10 10 4 薄膜电容器与电解电容器性能对比 从上述两电容器的参数可以明显看到 与铝电解电容器相比 ESR 最大有效值电流 寄生电感 浪涌电压 额定电压的比值 浪涌电流均明显优于铝电解电容器 还有一个重要因素就是薄膜电容器的寿命是铝电解电容器所无法相比的 变频器 逆变器用滤波电容器安装结构对比分析 简单经济的安装方式可以是采用导线连接方式 常见于早期变频器 逆变器 现在比较常见的是整流器 整流滤波电容器与逆变器之间采用铜板连接 对于采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器的安装结构更是尤为重要 必须采用 功率PCB 的方式 其目的就是使直流母线的寄生电感最小化 用铝电解电容器滤波的变频器的结构图 变频器专用薄膜滤波电容器构成的变频器的结构图 EPCOS的B25645 A4180 J 1变频器专用薄膜滤波电容器的结构 对比结果 通过两图比较可以看到 采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器结构相对简单 结构简单的一个最大好处之一就是母线寄生电感更低 因为变频器专用电容器模块可以直接装在母线板上 这样所产生的寄生电感将明显小于装在散热器旁边的铝电解电容器用铜板或母线连接到IGBT的方式 薄膜电容器的优势 综上所述 采用薄膜电容器作为变频器 逆变器的整流滤波电容器不仅可以大大提高变频器 逆变器的应用寿命 避免更换滤波电容器之苦和付出的成本代价 同时由于薄膜电容器的低ESR使你便电路中的开关管上的电压应力大大减小 有利于开关管的工作状态与可靠性 直流支撑电容器在直流链电路中的作用 在旁路逆变器纹波电流的同时 还要抑制来自于直流练得上电过电压主要应用 轻型牵引的应用 如 地铁 轻轨 电车等 薄膜电容器作为直流支撑电容器 轻型牵引的应用 如 地铁 轻轨 电车等 直流支撑电压波形 在接触断开时 能量来自直流支撑电容 结果 电压降低 因此 只要接触重新被建立过压将出现 情况分析 更糟的情况是过压会达到额定电压的几乎2倍 电解电容可承受最大1 2倍的额定电压 所以 电解电容可以承受的最低电压为 2X1000V 1 2 1670V需要四支450V的电解电容串联 膜电容可以承受这种过压 考虑部分从网上得到的数据 10mF的电解电容 体积为26升 最大有效值电流为20Arms 而相同容值的膜电容 体积为25升 最大有效值电流可比500Arms还高 寿命计算 膜电容允许有很长的寿命期望 其寿命的长短由负载电压条件 工作电压 与热点温度决定 对于直流滤波电容 其寿命符合下面的曲线 聚丙烯薄膜电容器寿命与工作电压的关系 在实际应用中 铝电解电容器的寿命是无法同薄膜电容器相比的 薄膜电容器用于急剧放电 目的 可以用于直流脉冲电容器应用于脉冲发生器 充磁 退磁机 激光电源 医用器械 储能焊接等领域中 对性能的要求 高电压 高储能 高放电电流 储能电容器的性能 电容器用于放电应用通常是能够提供非常高的放电电流和高储能 如我国的九方合荣生产的脉冲电容器的放电电流可达12 5kA 储能750焦耳 这个数值大约为5000法拉超级电容器的1 50 但是超级电容器由于ESR还是较大 释放不了这么大的电流 可以用于直流脉冲电容器应用于脉冲发生器 充磁 退磁机 激光电源 医用器械 储能焊接等领域中 薄膜电容器用于输出整流滤波 薄膜电容器由于其ESR极低和优异的可靠性 在高可靠性的大功率开关电源的输出整流滤波应用将是一个不错的选择 特点 ESR极低 据测试 80 F 30V的薄膜电容器的ESR仅仅几个 可以流过很大的电流 电容器的电极或者用铜板 或者用多个引脚引出 寄生电感极低 特别是用于100kHz以上开关频率 输出电压比较高 如24V以上的大功率开关电源 耦合与隔直 在开关电源 电子镇流器中 由于逆变器是半桥电路结构 而变压器 荧光灯仅能接受交流电 因此需要将交流成分耦合过去 隔离其直流成分 承担这种耦合作用的电容器不仅需要具有足够的直流电压承受能力 还要能通过比较大的交流电流 尽管这个电流小于流过谐振电容器电流 性能要求 除了电压要求 电流要求外 这种耦合常需要耦合电容器在开关周期的负半周向负载提供电能 因此 需要耦合电容器具有满足需要的电容量 在实际应用中 一般的薄膜电容器均可以满足要求 电源电磁干扰的抑制 大部分的电磁干扰来自电源由于电源电磁干扰抑制电容器接在交流电源侧 随时可能受到来自电源的浪涌电压 瞬时过电压的冲击 电源电磁干扰抑制电容器必须能够承受住这些冲击 抑制电源电磁干扰用电容器主要用于 电气和电子设备 并跨接到电源线 且电源线之间的电压不超过500V直流或交流有效值 或任意电源线与地之间的电压不超过250V直流或交流有效值 频率不超过100Hz 其作用降低电气 电子设备或其他干扰源产生的电磁干扰 抑制电源电磁干扰用电容器分类 抑制电源电磁干扰用电容器一般分为两类 跨接电源线的X类抑制电磁干扰用的X类电容器 capacitorofclassX 和跨接电源线与于地之间的Y类抑制电磁干扰用的Y类电容器 capacitorofclassY 可见无论是X类电容器还是Y类电容器都必须满足电器安全规则 所以X类电容器还是Y类电容器均称谓安规电容器 特别是Y类电容器还要确保电气安全中的人身安全 因此 X类电容器和Y类电容器均须通过电气安全测试 X类电容器 对于X类电容器适用于在电容器失效时不会导致电击危险的场合 如跨接电源线两端 X类电容器按迭加到电源电压上的峰值脉冲电压 在使用中可能承受的 大小可分为三类 X1 X2和X3 这个脉冲电压可以是由于外部线路受到雷击而引起 也可以是由于开关相邻设备而引起 也可以是由于开关使用电容器的设备而引起 跨接电源线间的脉冲电压相对电源线与地线之间的脉冲电压低 X类电容器的耐久性试验前施加的峰值脉冲电压UP Y类电容器 而Y类电容器适用于在电容器失效时会导致电击危险的场合 如跨接电源线与于地之间 这就要求Y类电容器能够承受更高的脉冲测试电压的冲击测试 Y类电容器根据不同的应用电源电压分为 额定电压 250V 的双重绝缘或增强绝缘 Y1 150V 额定电压 250V 的基本绝缘或辅助绝缘 Y2 150V 额定电压 250V 的基本绝缘或辅助绝缘 Y3和 额定电压 150V 的基本绝缘或辅助绝缘 Y4 共四个子类 Y2与Y3不同之处见下表 Y类电容器的耐久性试验前施加的峰值脉冲电压UP 实验电压波形 等价原则 一个Y类电容器可以跨接基本绝缘 也可以跨接辅助绝缘 如果用两个Y2类 Y3类或Y4类电容器串联组合跨接基本和辅助绝缘 则这些电容器应有相同的标称值 峰值脉冲电压测试 X类电容器和Y类电容器的耐久性试验前施加的峰值脉冲电压测试波形 峰值脉冲电压测试波形 耐电压测试 耐电压测试是X类和Y类电容器电气安全性的必测项目之一 主要是考察电容器在浪涌过电压时能否经得住冲击 X类和Y类电容器的耐久性测试电压值如下表 其测试条件分为直流试验和交流试验 其中交流施压的条件为 施加50或60Hz电压 以不超过150V s的速率从零升高到试验电压 试验电压时间应从达到试验电压值时开始计算 在试验结束时 试验电压应减少至接近零 并且电容器通过一个适当的电阻放电 应注意的是 由用户进行的重复耐电压试验可能会损坏电容器 电容器耐电压测试的测试电压 耐久性测试 耐久性测试时电容器应在上限类别温度和1 7UR的电压下承受1000小时的那久性试验 在试验中每隔一小时应将电压升高到1000V 有效值 持续0 1秒 该试验应分别通过一个47 5 的电阻施加到每个电容器上 耐久性测试电路与波形 自燃性试验 自燃性试验是电容器在受到迭加在基波交流电压上的随机非同步的高压脉冲冲击时能否自燃的试验电压波形如下图 测试的基波交流电压有效值为UR 5 所施加的高压脉冲的峰值为 Y2为5kV 7 X1为4kV 7 X2 Y3 Y4为 2 5kV 7 X3为 1 2kV 7 每个样品共接受20次这样电压的冲击 电容器自燃性的试验电压波形 各国的电气安全认可 发达国家对电气安全都有严格的认证 对于通过认证的电气产品均加有改过电气认证的图标 因此 无论是X类电容器还是Y类电容器 在电容器上均必须印有已通过的电气安全认证的图标 抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式 抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式 抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式 抑制电源电磁干扰用电容器的特性与主要参数 抑制电源电磁干扰用电容器的作用是抑制来自于电气 电子设备或其他干扰源产生的电磁干扰 不仅要满足电气安全标准 还要满足于制电源电磁干扰的作用 由于电磁干扰的频谱非常宽 所以抑制电源电磁干扰用电容器应具有 高频 电容器的特性 不仅如此 抑制电源电磁干扰用电容器还要有效的将电磁干扰 全部 或大部分从电容器中分流掉 这样抑制电源电磁干扰用电容器还要像滤波 旁路电容器那样具有非常低的ESR 当抑制电源电磁干扰用电容器受到电磁干扰特别是浪涌电压和瞬态过电压的冲击时抑制电源电磁干扰用电容器还要像缓冲电容器那样缓冲这个电压瞬变的冲击还要耐受高dv dt 高电流脉冲