電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容2024/3/11電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的電力電子對元器件的選擇有了更高的要求,無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。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這個應(yīng)用場合，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、長壽命、(干式防爆)、無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。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用薄膜電容的優(yōu)勢薄膜電容的發(fā)展趨勢（針對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薄膜電容和電解電容對比分析DC-LINK電容在電力電子設(shè)備中的功能和應(yīng)用。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容薄膜電容的優(yōu)勢1.承受高有效電流的能力，最高可達1Arms/μF。2.抗浪涌能力強，能承受2UnV的浪涌電壓3.承受高峰值的電流能力，dv/dt高達100V/μs,ESL電感量小，充放電速度快。4.耐壓高，能承受1.5倍于額定電壓的過壓。5.無極性，能長期承受反向脈沖電壓。6.介質(zhì)損耗小，ESR小，產(chǎn)品內(nèi)部溫升低，溫度特性好。7.體積小，長壽命，沒有酸污染。8.可長時間存儲。9.替代電解并非等額容量替代，而是功能上的替代，根據(jù)不同的要求確定容量。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用從1980年開始，使用金屬化膜以及膜上金屬分割技術(shù)的DC濾波電容得到了長足的發(fā)展。在過去多年的發(fā)展中，電容的體積和重量減小了3到4倍。現(xiàn)在薄膜生產(chǎn)商開發(fā)出了更薄的膜，同時改進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，使膜電容能夠比電解電容更加經(jīng)濟地覆蓋600VDC到1200VDC之間的電壓范圍。1、干式替代油浸式油浸式電容因為將油浸漬到薄膜里面（1200V以上的電容更加），當電容發(fā)生漏液或者油發(fā)生老化時因油直接接觸到薄膜及金屬鍍層電極，會對電容的性能產(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)展趨勢電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容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)熔絲的方式進行防爆，而現(xiàn)在國外干式薄膜電容一般采用更為先進的電氣式防爆，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電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用網(wǎng)狀安全膜示意圖T型安全膜示意圖電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用介質(zhì)—塑料薄膜（如:聚丙烯(PP),聚酯(PET),聚碳酸酯(PC),聚苯硫醚,(PPS)），塑料薄膜的性能直接影響到薄膜電容的壽命和電氣性能，國內(nèi)做PP薄膜最好的廠家和國外的高品質(zhì)的PP薄膜（如德國的史泰拿、創(chuàng)斯普、法國的波洛萊和日本東麗等）差距還相當大，特別是影響電容壽命、耐壓和高溫特性的PP薄膜結(jié)晶度，國內(nèi)廠家只能做到60~65%結(jié)晶度，而國外的能達75~80%的結(jié)晶度，并逐步在提高，這樣如果用相同的厚度的薄膜、相同的工藝做的產(chǎn)品，國外的高品質(zhì)膜會比國內(nèi)最好的膜做的產(chǎn)品壽命長50%、耐壓高30%以上。薄膜電容最關(guān)鍵的材料電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用

日本東麗，德國創(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，金屬鍍層會因此而揮發(fā)并將短路的地方隔離開來。這種現(xiàn)象稱為自愈效應(yīng))關(guān)鍵材料的主要供應(yīng)商電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-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)薄膜電容的常見內(nèi)部結(jié)構(gòu)及簡單分類電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用圖1:單面結(jié)構(gòu)電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容

機密-僅供內(nèi)部使用圖2:單面串聯(lián)電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用圖3:雙面串聯(lián)電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用圖4:鋁箔串聯(lián)電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用圖3:雙面多串聯(lián)

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用A.內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類1雙面金屬化膜,內(nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)2單面金屬化膜,內(nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)3單面金屬化膜,內(nèi)部不串4單面金屬化膜,網(wǎng)狀安全結(jié)構(gòu)B.按外形結(jié)構(gòu)分類1外包膠紙,軸向引出:引線,片,螺孔2標準塑料外殼封裝,線/片引出3標準金屬外殼,螺孔/螺桿引出4定制，異型外殼

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用C.按目標用途分類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(開關(guān))(PWH)電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容機密-僅供內(nèi)部使用外包膠紙,軸向引出標準鋁外殼,螺孔/螺桿引出:機密-僅供內(nèi)部使用外包膠紙,軸向引出標準塑料外殼封裝,片/線引出標準鋁外殼,螺孔/螺桿引出定制，異型外殼電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容薄膜電容器的工藝流程電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容.薄膜電容和電解電容分析比較：1、電性能（從產(chǎn)品設(shè)計及結(jié)構(gòu)上進行分析）電解電容采用的是隱箔式有感卷繞結(jié)構(gòu)，而薄膜電容采用的是金屬化薄膜無感卷繞結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

電解電容展開示意圖電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容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（等于電解鋁箔的長度），造成電解電容的ESL和ESR較大，所以在經(jīng)受大的紋波電流時發(fā)熱嚴重；而薄膜電容采用的是無感式卷繞，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。

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容2、壽命對比電解電容的壽命一般只有2000~3000小時，而長壽命的也只有5000~6000小時，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小時以上，而且是干式和無保質(zhì)期限；下面是薄膜電容的壽命曲線圖：

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容薄膜電容在電力電子設(shè)備中的功能和應(yīng)用

薄膜電容在電力電子設(shè)備中的示意圖

C1：直流鏈支撐（DC-Link）C2：逆變回路中IGBT、IPM模塊突波電壓吸收C3：AC濾波電容，輸出端高頻紋波吸收電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容二、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逆變系統(tǒng)的功率器件開通瞬間提供有效值和幅值很高的脈動電流2.功能替代的理論分析（容量選擇方法分析）高頻紋波電壓計算方法：E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2

其中:E為每次IGBT導(dǎo)通時所需能量，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）電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容以f=2KHz為例，E=0.5J，假如直流母線電壓U=1000V時，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,同時用IGBT整流的風電變流器，整流側(cè)能提供50%以上的能量，

所以可以得出，每KW功率機器所需DC-LINK電容的容量為12.5μF以上即可滿足要求，實際應(yīng)用時留點余量，所以我們推薦是15~25μF/KW。紋波電流在我們的計算中不作考慮，因為薄膜電容的紋波電流承受能力完全可以滿足要求。例如，2MW/690VAC的風電變流器，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。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容二、C2：逆變回路中IGBT、IPM模塊突波電壓吸收IGBT保護電容主要是用來緩沖IBGT開關(guān)時產(chǎn)生的高脈沖電壓和電流；IGBT保護電容有如下特點：特高的Du/dt、大電流、高頻特性好、自愈性、極小的ESR、無感結(jié)構(gòu)。電壓選擇：跟據(jù)客戶IGBT電壓等級來選擇，電容額定電壓一般不低于IGBT電壓等級。容量選擇：容量為：IGBT實際工作電流每100A使用容量大約1UF。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容三、C3:AC濾波電容：在變流器中的功能主要是濾除IGBT逆變器產(chǎn)生的高頻紋波，使變流器并網(wǎng)時有一個符合要求的正弦波電壓。電壓選擇：跟據(jù)客戶的變流器輸出電壓來選擇，電容額定電壓不低于客戶使用電壓。容量選擇：根據(jù)客戶要求；一般選擇容量時，符合濾波電容和電感的諧振點在載波頻率的1/4~1/5的條件時，濾波效果較好。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容例：高壓變頻器DC-LINK的應(yīng)用在高壓變頻器的DC-LINK這個應(yīng)用場合，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，見圖1所示。

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容圖1、高壓變頻器裝置的構(gòu)成圖電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容二、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

每個功率單元的電氣原理見圖2所示，每個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)。

電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容.圖2、功率單元電氣原理圖電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容圖3、功率單元相串原理電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容功率單元中電壓、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個功率單元串聯(lián)疊加而成，3相共18個功率單元，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對于3kV高壓變頻器，每相一般由3～4個功率單元串聯(lián)疊加而成；對于6kV高壓變頻器，每相一般由5～7個功率單元串聯(lián)疊加而成；對于10kV高壓變頻器，每相一般由8～10個功率單元串聯(lián)疊加而成；電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容電壓：≥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個功率單元串聯(lián)疊加而成，3相共18個功率單元，那么：1、DC-LINK電容的電壓：≥1.1*√2*577.4=898VDC一般可以選擇1000-1100VDC電壓等級的電容2、DC-LINK電容的容量：83.3*（30～50）=2500～4165UF所以每個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進行選擇。電力電子行業(yè)金屬化薄膜電容1.混合動力汽車變頻器2.靜止無功發(fā)生器3.風力發(fā)