電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容課件

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機(jī)密-僅供內(nèi)部使用現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的電力電子對(duì)元器件的選擇有了更高的要求,無(wú)論是電氣特性方面還是環(huán)境的操作條件的要求。電容器也不例外，產(chǎn)品的可靠性越來(lái)越成為關(guān)鍵。在電力電子應(yīng)用中，薄膜電容器比其他電容器更具有優(yōu)勢(shì)。薄膜電容以其優(yōu)越的電性能在高壓高頻大功率電力電子設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用，特別在DC-LINK這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，薄膜電容與電解電容相比較具有高紋波電流承受能力、耐高壓、低ESR和ESL、長(zhǎng)壽命、(干式防爆)、無(wú)極性和高頻特性好等優(yōu)越的電氣性能，在高壓大功率電力電子設(shè)備中DC-LINK應(yīng)用薄膜電容替代電解電容是一種趨勢(shì)。機(jī)密-僅供內(nèi)部使用薄膜電容的優(yōu)勢(shì)薄膜電容的發(fā)展趨勢(shì)（針對(duì)DC-LINK）薄膜電容的關(guān)鍵材料薄膜電容的常用結(jié)構(gòu)及分類薄薄膜電容器的工藝流程對(duì)薄膜電容和電解電容對(duì)比分析DC-LINK電容在電力電子設(shè)備中的功能和應(yīng)用。機(jī)密-僅供內(nèi)部使用從1980年開(kāi)始，使用金屬化膜以及膜上金屬分割技術(shù)的DC濾波電容得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在過(guò)去多年的發(fā)展中，電容的體積和重量減小了3到4倍?，F(xiàn)在薄膜生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出了更薄的膜，同時(shí)改進(jìn)了金屬化的分割技術(shù)極大的幫助了這種電容的發(fā)展。用干式設(shè)計(jì)，使膜電容能夠比電解電容更加經(jīng)濟(jì)地覆蓋600VDC到1200VDC之間的電壓范圍。1、干式替代油浸式油浸式電容因?yàn)閷⒂徒n到薄膜里面（1200V以上的電容更加），當(dāng)電容發(fā)生漏液或者油發(fā)生老化時(shí)因油直接接觸到薄膜及金屬鍍層電極，會(huì)對(duì)電容的性能產(chǎn)生影響，大大縮短了電容的壽命，而干式電容可以解決以上問(wèn)題，而且減化了生產(chǎn)工藝，保證了產(chǎn)品的一致性。

薄膜電容的發(fā)展趨勢(shì)2、電氣防爆替代壓力防爆油浸式電容一般采用壓力式防爆或采用內(nèi)部串聯(lián)熔絲的方式進(jìn)行防爆，而現(xiàn)在國(guó)外干式薄膜電容一般采用更為先進(jìn)的電氣式防爆，即采用網(wǎng)狀安全膜，而電氣式防爆比壓力式防爆和內(nèi)部串聯(lián)熔絲防爆可靠性更高、防爆效果更好。下面是安全膜示意圖機(jī)密-僅供內(nèi)部使用網(wǎng)狀安全膜示意圖T型安全膜示意圖機(jī)密-僅供內(nèi)部使用

日本東麗，德國(guó)創(chuàng)斯普目前日本東麗已為我們的戰(zhàn)略供應(yīng)商，和我們配合開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，近期采用新型材料J系列，大幅度提高了電容的耐壓能力，現(xiàn)配合我們的高方阻技術(shù)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的耐壓能力和自愈能力.

(在電介質(zhì)膜上，鍍上很薄的金屬層，如果電介質(zhì)出現(xiàn)短路，金屬鍍層會(huì)因此而揮發(fā)并將短路的地方隔離開(kāi)來(lái)。這種現(xiàn)象稱為自愈效應(yīng))關(guān)鍵材料的主要供應(yīng)商機(jī)密-僅供內(nèi)部使用電容器典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1:單面結(jié)構(gòu)圖2:單面內(nèi)串結(jié)構(gòu)圖3:雙面內(nèi)串結(jié)構(gòu)圖4:鋁箔/金屬化膜串聯(lián)薄膜電容的常見(jiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單分類機(jī)密-僅供內(nèi)部使用圖1:單面結(jié)構(gòu)機(jī)密-僅供內(nèi)部使用圖3:雙面串聯(lián)機(jī)密-僅供內(nèi)部使用圖4:鋁箔串聯(lián)機(jī)密-僅供內(nèi)部使用圖3:雙面多串聯(lián)

機(jī)密-僅供內(nèi)部使用C.按目標(biāo)用途分類Snubber(吸收)(PSD,PSC,PSM)DC-link(直流濾波,直流鏈支撐)(PDP,PDF,PDE,PDB)AC-filter(交流濾波,LC,)(PAF,PAR)Resonant(諧振)(PSC,PGH)Switching(開(kāi)關(guān))(PWH)機(jī)密-僅供內(nèi)部使用外包膠紙,軸向引出標(biāo)準(zhǔn)鋁外殼,螺孔/螺桿引出:機(jī)密-僅供內(nèi)部使用外包膠紙,軸向引出標(biāo)準(zhǔn)塑料外殼封裝,片/線引出標(biāo)準(zhǔn)鋁外殼,螺孔/螺桿引出定制，異型外殼薄膜電容器的工藝流程從上面的電解電容和薄膜電容的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出：電解電容屬有感式卷繞，電流的流向路程遠(yuǎn)（等于電解鋁箔的長(zhǎng)度），造成電解電容的ESL和ESR較大，所以在經(jīng)受大的紋波電流時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重；而薄膜電容采用的是無(wú)感式卷繞，電流的流向路程短（等于薄膜的寬度），薄膜電容的ESL和ESR極小，所以能承受大的紋波電流而不發(fā)熱。

2、壽命對(duì)比電解電容的壽命一般只有2000~3000小時(shí)，而長(zhǎng)壽命的也只有5000~6000小時(shí)，而且容易發(fā)生漏液和存在保質(zhì)期；而薄膜電容壽命一般是100000小時(shí)以上，而且是干式和無(wú)保質(zhì)期限；下面是薄膜電容的壽命曲線圖：

二、C1：直流鏈支撐（DC-Link）

1.DC-LINK電容在電力電子設(shè)備中的功能主要是為后級(jí)逆變系統(tǒng)的功率器件開(kāi)通瞬間提供有效值和幅值很高的脈動(dòng)電流2.功能替代的理論分析（容量選擇方法分析）高頻紋波電壓計(jì)算方法：E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2

其中:E為每次IGBT導(dǎo)通時(shí)所需能量，U為電容導(dǎo)通前的電壓，△U為紋波電壓的峰峰值，C為電容容量。E的一般理論計(jì)算方法（每KW所需平均能量）：E=3600000/3600/f=1000/f（其中f為PWM載波頻率）以f=2KHz為例，E=0.5J，假如直流母線電壓U=1000V時(shí)，要求高頻紋波電壓△U為2%（即△U=20V），根據(jù)E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2可以算出C=25.25μF,同時(shí)用IGBT整流的風(fēng)電變流器，整流側(cè)能提供50%以上的能量，

所以可以得出，每KW功率機(jī)器所需DC-LINK電容的容量為12.5μF以上即可滿足要求，實(shí)際應(yīng)用時(shí)留點(diǎn)余量，所以我們推薦是15~25μF/KW。紋波電流在我們的計(jì)算中不作考慮，因?yàn)楸∧る娙莸募y波電流承受能力完全可以滿足要求。例如，2MW/690VAC的風(fēng)電變流器，以每KW功率需DC-LINK電容的容量為17.5μF，那么2MW要的總DC-LINK電容的容量為35000μF。二、C2：逆變回路中IGBT、IPM模塊突波電壓吸收IGBT保護(hù)電容主要是用來(lái)緩沖IBGT開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高脈沖電壓和電流；IGBT保護(hù)電容有如下特點(diǎn)：特高的Du/dt、大電流、高頻特性好、自愈性、極小的ESR、無(wú)感結(jié)構(gòu)。電壓選擇：跟據(jù)客戶IGBT電壓等級(jí)來(lái)選擇，電容額定電壓一般不低于IGBT電壓等級(jí)。容量選擇：容量為：IGBT實(shí)際工作電流每100A使用容量大約1UF。例：高壓變頻器DC-LINK的應(yīng)用在高壓變頻器的DC-LINK這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，薄膜電容以其優(yōu)越的電性能逐步得以廣泛應(yīng)用，下面簡(jiǎn)單介紹一下DC-LINK電容在高壓變頻器中的選取方法：

一、高壓變頻器裝置的構(gòu)成高壓變頻調(diào)速成套系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上由旁路柜、移相變壓器柜、功率單元柜及控制柜組成，見(jiàn)圖1所示。

圖1、高壓變頻器裝置的構(gòu)成圖二、功率單元原理功率單元柜為成套裝置的核心部分，也是電機(jī)定子大功率變頻電源的產(chǎn)生模塊。功率單元柜主要由功率單元箱（圖1中A1～An,B1～Bn，C1～Cn）并輔以控制構(gòu)成

每個(gè)功率單元的電氣原理見(jiàn)圖2所示，每個(gè)功率單元由外部輸入三相電源A/B/C供電，經(jīng)內(nèi)部整流濾波后逆變成單相電壓U/V輸出。整流由三相不控整流完成。逆變部分采用IGBT功率器件，控制方法采用SPWM（pwm脈沖寬度調(diào)制）逆變控制技術(shù)。

.圖2、功率單元電氣原理圖圖3、功率單元相串原理功率單元中電壓、功率換算關(guān)系:1、相電壓=線電壓/√32、功率單元電壓=相電壓/功率單元串聯(lián)數(shù)3、功率單元功率=變頻器總功率/功率單元串聯(lián)數(shù)/3例如：6kVAC的高壓變頻器，功率為1.5MW，每相由6個(gè)功率單元串聯(lián)疊加而成，3相共18個(gè)功率單元，那么：相電壓=6000/√3=3464.2VAC功率單元電壓=3464.2/6=577.4VAC功率單元功率=1500/6/3=83.3kW對(duì)于3kV高壓變頻器，每相一般由3～4個(gè)功率單元串聯(lián)疊加而成；對(duì)于6kV高壓變頻器，每相一般由5～7個(gè)功率單元串聯(lián)疊加而成；對(duì)于10kV高壓變頻器，每相一般由8～10個(gè)功率單元串聯(lián)疊加而成；電壓：≥1.1*√2*功率單元電壓容量：30～50UF/KW例如：6kVAC的高壓變頻器，功率為1.5MW，每相由6個(gè)功率單元串聯(lián)疊加而成，3相共18個(gè)功率單元，那么：1、DC-LINK電容的電壓：≥1.1*√2*577.4=898VDC一般可以選擇1000-1100VDC電壓等級(jí)的電容

2、DC-LINK電容的容量：83.3*（30～50）=2500～4165UF

所以每個(gè)功率單元組可以選擇的電容范圍在2500～4000UF都可以，這要看客戶的成本承受能力來(lái)進(jìn)行選擇。1.混合動(dòng)力汽車變頻器2.靜止無(wú)功發(fā)生器3.風(fēng)力發(fā)電變頻器4.太陽(yáng)能發(fā)電逆變器5.高壓變頻器

主要目標(biāo)行業(yè)高頻開(kāi)關(guān)電源、通用變頻器、UPS/EPS、感應(yīng)加熱電源、逆變焊機(jī)、逆變電源、GTO鉗位與吸收，有源電力濾波器，LC濾波(單相,三相Y/△)其他行業(yè)：1.DC平滑濾波時(shí)紋波峰電壓值不超過(guò)200V比較合適。2.IGBT導(dǎo)通的時(shí)的高頻紋波電壓≤100V3.在橋式整流電路中，與IGBT使用最近電容的溫升不應(yīng)超過(guò)20℃.4.在容量的選取考慮平滑濾波紋波電壓和高頻紋波電壓的大小。5.要考慮過(guò)有效電流能力和過(guò)脈沖電流沖擊能力。6.DT（溫升）要控制，注意產(chǎn)品的熱平衡，(溫升控制在