薄膜電容替代電解電容在DC

1、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(jī)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(jī)遇。在新能源及新能源汽車運(yùn)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(yùn)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

2、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(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電）以及新能源汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中DC-Link電 容器的運(yùn)用示意圖圖1、2.圖1風(fēng)力發(fā)電變流器電路拓?fù)鋱D圖2光狀發(fā)電變流器電路拓?fù)鋱D圖1為風(fēng)力發(fā)電變流器電路拓?fù)鋱D，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?fù)鋱D，其中C1為DC濾波，C2為EMI濾波，C4為DC-Link,C6為

3、 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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中C3為DCLink,C4為IGBT吸收電容。圖3新能源汽車主電機(jī)驅(qū)動，系毓電路拓?fù)鋱D在上述提到的新能源領(lǐng)域運(yùn)用中，DCLink電容作為一個關(guān)鍵器件，不管是在風(fēng) 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(yùn)用中兩者的分析對比：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

4、缺陷點 起到保護(hù)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(jìn)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(dāng)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(qiáng)度，十式技術(shù)脈沖或放電運(yùn)用電容設(shè)計可 以達(dá)到500V/p m,直流濾波運(yùn)用電容設(shè)計可以達(dá)到250V/p m.DC-Link電容屬于 后者，根據(jù)IEC61071對于電力電子運(yùn)用電容 的

5、要求可以承受較為苛刻的電壓沖 擊，可以達(dá)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)。1-真空案，2-定空閥，3-前處理系統(tǒng)，4放卷，5- 收卷.分卷繞室，7-搪度厘度檢測，日-鍍膜哉，卜 蒸發(fā)系統(tǒng)10-蒸鍍室1卜如蒸發(fā)系鴕，蒸鍍 虱13TI絲，14帶屏系統(tǒng)，15-擴(kuò)散泵，伯-真空 閥，17-冷跳圖4金屬化鍍膛的原理圖薄膜介質(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-

6、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88.5,工作的介 電強(qiáng)度約為0.07V/A(川m=10000A)，按照計算對于900Vdc的電解電容需要的厚 度為12000A.然而要達(dá)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(jìn)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 150。cm,高電壓(500V)的電解液的電阻率 則達(dá)到5k。cm.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/p F.基于上述原因

7、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。此夕卜， 電解電容為有極性器件，當(dāng)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(dāng)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(dá)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

8、膜電容與電解電容如下特性對比表，見表1.表，電妣匿客與燧凝申.喜轎性捷站比均性棗數(shù)電藺也卷卜滸哩電容也容量危田怯壬、時或F墩快小，.沏i大勾xm衍數(shù)量毀J互比出鋁帖腐蝕J相握讓河.賣sa.5土 (LW攵i員訃忘潸.律同志，；IK最吾T乍電任一七為kov址千認(rèn)財訶電it能力1. 15-1. 2 IT ft2-OUn觥性無度有M中.苫就20nA,MFL.lFr率島3-5 年e w： Mm i.有天存位感苜,KK估存,/.和L瀕1、S -雖辭f向壓瓦卜能芟、不變運(yùn)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)就是一個例子。在該運(yùn)用中電容起到退耦作用，

9、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 5060kW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 150Arms10KHz.那么最小電容量計算為：心=239/zF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/ M F，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(yùn)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(jī)車集電弓，在運(yùn)輸行進(jìn)過程中受電弓與集電弓的接觸是間續(xù)的。當(dāng)兩者不接 觸時通過DC-Link電容進(jìn)行支撐

10、供電，當(dāng)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(dāng) 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(jìn)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

11、容DC-Link薄膜電容器通過設(shè)計可以達(dá)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）。 這樣在運(yùn)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(fèi)用。表2和表3為Faratronic C3A和C3B部分產(chǎn) 品的技術(shù)參數(shù)。i：Vde)q U F)esr心)篇盹Z(AJI皿30 linens i anFart numberEg枷1700.5231 s12S0LOO齡8 土 S11C3A25177-30M

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