薄膜电容替代电解电容在DC

1、0引言 随着各国出台新能源相关政策以及新能源产业的发展，该领域的相关产业的发展 也带来了新机遇，电容器作为必不可少的上游相关产品行业也获得了新的发展 机遇。在新能源及新能源汽车运用中，电容器在能源控制、电源管理、电源逆变 以及直流交流变换等系统中是决定变流器寿命的关键元器件。变流技术在上述系 统中普遍得到运用，然而在逆变器中直流电作为输入电源，需通过直流母线与 逆变器连接，该方式叫作DC-Link或直流支撑。因逆变器在从DC-Link得到有 效 值和峰值很高的脉冲电流的同时，会在DC-Link上产生很高的脉冲电压使得逆变 器难以承受。所以需要选择DC-Link电容器来连接，一方面以吸收逆 变器

2、从 DC-Link端的高脉冲电流，防止在DC-Link的阻抗上产生高脉冲电压，使逆变器 端的电压波动处在可接受范围内；另一方面也防止逆变器受到DC-Link端的电 压过冲和瞬时过电压的影响。为新能源（含风力发电和光伏发电）以及新能源汽车电机驱动系统中DC-Link电 容器的运用示意图图1、2.图1风力发电变流器电路拓扑图图2光状发电变流器电路拓扑图图1为风力发电变流器电路拓扑图，其中C1为DC-Link（一般整合到模块上）， C2为IGBT吸收，C3为LC滤波（网侧），C4转子侧DV/DT滤波。图2为光伏发电 变流器电路拓扑图，其中C1为DC滤波，C2为EMI滤波，C4为DC-Link,C6为

3、 LC滤波（网侧），C3为DC滤波，C5为IPM/IGBT吸收。图3为新能源汽车系统 中主电机驱动系统，其中C3为DCLink,C4为IGBT吸收电容。图3新能源汽车主电机驱动，系毓电路拓扑图在上述提到的新能源领域运用中，DCLink电容作为一个关键器件，不管是在风 力发电系统、光伏发电系统还是在新能源汽车系统中都要求高可靠性及长寿命， 其选型显得尤为重要。下面介绍薄膜电容与电解电容的特性对比及在DC-Link 电容运用中两者的分析对比：特性对比1.1薄膜电容首先介绍薄膜金属化的原理，薄膜金属化技术的原理：在薄膜介质表面蒸镀上足 够薄的金属层，在介质存在缺陷的情况下，该镀层能够蒸发并因此隔离该

4、缺陷点 起到保护作用，这种现象被称作自愈。图4为金属化镀膜的原理图，蒸镀前薄膜 介质先进行前期处理（电晕或其他方式）以便金属分子能够附着在上面。金属通过 在真空状态下高温溶化蒸发（铝的蒸发温度1400摄氏度1600摄氏度，锌的蒸发 温度400摄氏度600摄氏度），当金属蒸气遇被冷却的薄膜后凝结在 薄膜表面 （薄膜冷却温度-25摄氏度-35摄氏度），从而形成金属镀层。金属化技术的发展 提高了单位厚度的薄膜介质的介电强度，十式技术脉冲或放电运用电容设计可 以达到500V/p m,直流滤波运用电容设计可以达到250V/p m.DC-Link电容属于 后者，根据IEC61071对于电力电子运用电容 的

5、要求可以承受较为苛刻的电压冲 击，可以达到2倍的额定电压。因此使用者只需考虑其设计所需的额定工作电压 就可以了。金属化薄膜电容器具有较低的ESR,使其能承受较大的纹波电流;较 低的ESL满足逆变器的低电感设计要求，减少了开关频率下的震荡效应。1-真空案，2-定空阀，3-前处理系统，4放卷，5- 收卷.分卷绕室，7-搪度厘度检测，日-镀膜哉，卜 蒸发系统10-蒸镀室1卜如蒸发系鸵，蒸镀 虱13TI丝，14带屏系统，15-扩散泵，伯-真空 阀，17-冷跳图4金属化镀膛的原理图薄膜介质的质量、金属化镀层质量、电容器设计及制造过程工艺决定了金属化电 容器自愈特性的好坏。Faratronic生产的DC-

6、Link电容用的薄膜介质主要为OPP 薄膜。1.2电解电容电解电容使用的介质为铝经过腐蚀形成的氧化铝，介电常数为88.5,工作的介 电强度约为0.07V/A(川m=10000A)，按照计算对于900Vdc的电解电容需要的厚 度为12000A.然而要达到这样的厚度是不可能的，因为为了获得好的储能特性所 用铝箔要进行腐蚀形成氧化铝膜，表面会形 成许多凹凸不平的曲面，铝层厚度 会降低电解电容的容量系数(比容)。另一方面，低电压的电解液电阻率为 150。cm,高电压(500V)的电解液的电阻率 则达到5k。cm.电解液较高的电阻率限制了电解电容所能承受的有效值电流，一般为20mA/p F.基于上述原因

7、电解电容的设计最高电压典型值为450V(有个别厂家设计600V)。因此，为了获得更高的电压必须用电容器串联实现，然而因各个电解电容的绝缘 电阻存在差异，为了平衡各串联电容的电压，各电容必须连接一个电阻。此夕卜， 电解电容为有极性器件，当施加反向电压超过1.5倍Un时，会发生电化学反应。 当施加的反向电压时间足够长，电容将发生爆炸，或冒顶电解液将外溢。为了 避免该现象发生，使用的时候要在每个电容旁并上一个二极管。除此之外，电解 电容的耐电压冲击特性，一般为1.15倍Un,好的可以达到1.2倍Un.这 样设计 师在使用时就不但要考虑稳态工作电压大小，而且还要考虑其冲击电压大小。综上所述，可以得出薄

8、膜电容与电解电容如下特性对比表，见表1.表，电妣匿客与燧凝申.喜轿性捷站比均性枣数电蔺也卷卜浒哩电容也容量危田怯壬、时或F墩快小，.沏i大勾xm衍数量毁J互比出铝帖腐蚀J相握让河.卖sa.5土 (LW攵i员讣忘潸.律同志，；IK最吾T乍电任一七为kov址千认财诃电it能力1. 15-1. 2 IT ft2-OUn觥性无度有M中.苫就20nA,MFL.lFr率岛3-5 年e w： Mm i.有天存位感苜,KK估存,/.和L濒1、S -虽辞f向压瓦卜能芟、不变运用分析DC-Link电容作为滤波器要求大电流和大容量设计。如图3提到的新能源汽车主 电机驱动系统就是一个例子。在该运用中电容起到退耦作用，

9、电路特点工作电 流大。薄膜DC-Link电容具有较大优势，能承受较大的工作电流(Irms)。以 5060kW新能源汽车参数为例，参数如下：工作电压330Vdc，纹波电压10Vrms, 纹波电流 150Arms10KHz.那么最小电容量计算为：心=239/zF这样对于薄膜电容设计很容易实现。假设采用电解电容，如果考虑20mA/ M F，那 么为了满足上述参数，计算电解电容最小的容值为：这样需要多个电解电容并联获得该容值。在过电压运用场合，如轻轨、电动巴士、地铁等，考虑这些动力通过受电弓连接 到机车集电弓，在运输行进过程中受电弓与集电弓的接触是间续的。当两者不接 触时通过DC-Link电容进行支撑

10、供电，当两者接触恢复时过电压就会产生。最坏 的情况是断开时由DC-Link电容完全放电，此时放电电压等于受电弓电压，当 恢复接触时，其产生的过电压几乎就是额定工作时的2倍Un.对于薄膜电容 DC-Link电容可以处理不需额外考虑。如果采用电解电容，过电压为1.2Un .以 上海地铁为例，Un=1500Vdc，对于电解电容要考虑电压为：那么要用6个450V 的电容进行串联连接。若采用薄膜电容设计在600Vdc到2000Vdc,甚至3000Vdc 都容易实现。此外，在电容完全放电情况下能量在两电极间形成短路放电，产生 很大冲击电流通过DC-Link电容，通常电解电容很难满足要求。另外，相对于电解电

11、容DC-Link薄膜电容器通过设计可以达到很低的ESR（通常 低于10m。，更低的1mQ ）和自感LS（通常低于100nH,有的可以低于10或20nH）。 这样在运用时DC-Link薄膜电容器可直接安装到IGBT模块，可以把母线整合到 DC-Link薄膜电容器中，因此采用薄膜电容器则不再需要专门的IGBT吸收电容， 为设计者节约了一笔不小的费用。表2和表3为Faratronic C3A和C3B部分产 品的技术参数。i：Vde)q U F)esr心)篇盹Z(AJI皿30 linens i anFart numberEg枷1700.5231 s12S0LOO龄8 土 S11C3A25177-30M

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13、816-35too7281, 5uC3H 昭701.232心210074498 土 0C3AlK70&-20+-1001. 210幻g2500M34. a&54 SIs5Unionfait deiF；御 i俪临（就SHl此K U0 5：86即1361!M Lf55U 486155测 LSS0 5!seCW-川LSIO653E%M 1,1ffl3J I：fit； 10(S631116Ii9cm啊帐M) H加加加1365WJ：? L955135145Q LI1HSWJi156LS两31( in3S斯1!# L?他日孺浏娜即时Q L5瑚U S加州32i5孺骚*0 L6S3 1WST1J8结论作为直流支撑滤波用电容，DC-Link电容早期考虑到成本及尺寸因素大部分选择 电解电容。然而电解电容受到耐压、电流承受能力（相对薄膜电容ESR高很多） 等因素的影响，为了获得大容量和满足高压使用要求，则必须要用多个电解电容 进行串、并联。另外考虑到电解液材料的挥发，所以要定期进行更换，新能源 运用一般要求产品寿命要达15年，那么在这段时间内必须更换两到三次，因而 在整机售后服务方面存在不小的费用和不方便性。随着金属化镀膜技术及薄膜 电容器技术的发展，采用安全膜蒸镀技术已经可以用超薄OPP膜（最薄2.7p m, 甚至2.却m）生产出电压450V到1200V甚至更