薄膜電容器優(yōu)點(diǎn)、相關(guān)的選型標準及應用分析

隨著(zhù)工業(yè)的快速發(fā)展、人口的增長(cháng)和人民生活水平的提高，能源短缺已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題，能源安全問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。隨著(zhù)“汽車(chē)社會(huì )”的逐步形成，汽車(chē)保有量不斷上升。全球汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展面臨著(zhù)能源和環(huán)保的雙重壓力。為了在未來(lái)的世界汽車(chē)工業(yè)中占有一席之地，各國紛紛推出自己的新能源汽車(chē)規劃藍圖，大力發(fā)展新能源汽車(chē)。

新能源汽車(chē)是指以非常規車(chē)用燃料為動(dòng)力源的汽車(chē)。新能源汽車(chē)包括混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、氫發(fā)動(dòng)機汽車(chē)、其他新能源（如高效儲能裝置、二甲醚）汽車(chē)等各類(lèi)產(chǎn)品。

電機、電池和電機控制技術(shù)是新能源汽車(chē)的三大核心。電機控制技術(shù)的核心是高效電機控制的逆變技術(shù)。高效電機控制的逆變技術(shù)需要一個(gè)強大的IGBT模塊和一個(gè)匹配的直流支持電容。

薄膜電容的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

早期直流支撐薄膜電容都是采用電解電容，隨著(zhù)薄膜電容技術(shù)的發(fā)展，特別是基膜本身技術(shù)的發(fā)發(fā)展和金屬化采用分割的技術(shù)出現，不僅使得薄膜電容的體積在越做越小的同時(shí)，產(chǎn)品的耐壓水平還保持在相當的水平，現在越來(lái)越多的公司采用高溫聚丙烯薄膜電容器的作為直流支撐電容，一個(gè)典型的例子就是豐田公司的PRIUS車(chē)型的改進(jìn)；而國內車(chē)企典型代表是比亞迪F3DM和E6，都使

用薄膜電容器作為直流支撐電容。第一代豐田Prius使用的濾波電容器是電解電容器，見(jiàn)圖2；從第二代開(kāi)始，便開(kāi)始使用薄膜濾波電容器組。

目前用于直流支撐的薄膜電容器，大部分是使用高溫聚丙烯膜作為介質(zhì)，聚丙烯薄膜電容器有如下的優(yōu)點(diǎn)。

a.產(chǎn)品安全性好，耐過(guò)壓能力強

由于薄膜電容器具有自愈額現象，而且薄膜電容的設計是按照IEC61071的標準，電容抗浪涌電壓能力大于1.5的額定電壓，加上電容采用分割膜技術(shù)，見(jiàn)圖4，電容理論上不會(huì )產(chǎn)生短路擊穿的現象，這大大提高了這類(lèi)電容的安全性，典型的失效模式是開(kāi)路。在特定應用中電容的抗峰值電壓能力也是考察電容的重要指標。實(shí)際上，對電解電容而言，允許承受的最大浪涌電壓是1.2倍，這種情況迫使使用者不得不考慮峰值電壓而非標稱(chēng)電壓。

b.良好的溫度特性

產(chǎn)品溫度使用范圍廣，可以從-40℃-105℃

直流支撐薄膜電容器采用的高溫聚丙烯薄膜，具有聚酯薄膜和電解電容沒(méi)有的溫度穩定性，具體如下圖5，圖6。

從中可以看出，隨著(zhù)溫度的升高，聚丙烯膜電容器容量總體是下降的，但下降的比例是很小的，大概是300PPM/℃；而聚酯膜不管是在高溫階段還是在低溫階段，容量隨溫度變化則大了很多，為+200 ~ +600PPM/℃。

從可以看出，聚丙烯膜介質(zhì)電容器的損耗隨溫度變化基本不變的，但聚酯膜介質(zhì)電容器在低溫和高溫顯示變化規律是不一樣的。

由于聚丙烯膜介質(zhì)電容器具有良好的溫度特性，不管是在低溫(比如說(shuō)中國北方)或者高溫地區(比如說(shuō)沙漠地區)都可以得到正常的使用，但對于電解電容器來(lái)說(shuō)，如果在低溫地區，由于電解液的存在，電解液可能會(huì )凝固，電容的性能在低溫的時(shí)候，性能發(fā)生較大的變化，可能導致電機控制器不能正常使用。

c.頻率特性穩定，產(chǎn)品高頻特性好

目前大部分的控制器開(kāi)關(guān)頻率在約10KHZ，這就要求產(chǎn)品的高頻性能好，對于電解電容器和聚酯膜電容器來(lái)說(shuō)，這個(gè)要求是個(gè)難題。具體見(jiàn)圖7，圖8。

可以看出，隨著(zhù)頻率的升高，聚酯膜介質(zhì)電容器的所測容量是隨著(zhù)頻率的上升是逐步減少的，但聚丙烯膜介質(zhì)電容器則基本不變。

可以看出，隨著(zhù)頻率的上升，聚酯薄膜介質(zhì)電容器的損耗急劇加大，但聚丙烯介質(zhì)電容器基本不變。

d.沒(méi)有極性，能承受反向電壓

薄膜電容器的電極是蒸鍍在薄膜上納米級的金屬，產(chǎn)品是沒(méi)有極性的，故對使用者來(lái)說(shuō)非常方便，不需要考慮正負極的問(wèn)題；而對電解電容器來(lái)說(shuō)，如果超過(guò)1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時(shí)，會(huì )引起電容內部化學(xué)反應的發(fā)生。如果這種電壓持續足夠長(cháng)的時(shí)間，電容會(huì )發(fā)生爆炸，或者隨著(zhù)電容內部壓力的釋放電解液會(huì )流出。

e.額定電壓高，不需要串聯(lián)和平衡電阻

為了提高輸出功率，混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的母線(xiàn)電壓有不斷提高的趨勢?，F在市場(chǎng)上給電機提供的電池電壓典型值有280V，330V及480V，與之匹配的電容不同廠(chǎng)家不太一樣，但大體是會(huì )選擇比如450V，600V，800V，容量從0.32mF到2mF，而電解電容器的額定電壓不高于500V，所以當母線(xiàn)電壓高于500V時(shí)，系統只能通過(guò)串聯(lián)電解電容器來(lái)提高電容器組的耐壓水平。這樣，不僅增加了電容器組的體積、成本，也增加了電路中的電感和ESR。

f.低ESR，通過(guò)耐紋波電流能力強

薄膜電容器大于200mA/μF，電解電容通過(guò)紋波電流能力為20mA/μF，這個(gè)特點(diǎn)能大大減小系統中所需要的電容器的容量。國內廠(chǎng)家比如廈門(mén)法拉主推的產(chǎn)品目前0.4-0.5mΩ，最大紋波電流值從幾十安培到幾百安培不等。

g.低ESL

逆變器的低電感設計要求其主要元件DC-Link電容器要有極其低的電感。高性能DC-Link直流濾波薄膜電容器通過(guò)把母線(xiàn)整合到電容器模塊里，使它的自感降到最低(<30nH)，大大減小了在必要開(kāi)關(guān)頻率下的震蕩效應。因此，并聯(lián)在DC-Link電容器上的吸收電容經(jīng)常被省略掉，電容器電極直接接到IGBT上。

h.抗浪涌電流能力強

能夠承受瞬間的大電流，采用波浪分切的技術(shù)和電容鍍膜加厚邊技術(shù)，可以提高產(chǎn)品浪涌電流溫度和機械沖擊的能力。

i.使用壽命長(cháng)

薄膜不易老化的特性決定了薄膜電容器有很長(cháng)的壽命，特別在額定電壓和額定使用溫度下，使用壽命大于15000小時(shí)；如果按平均30Km/H，則在壽命期可以有450000Km，電容的壽命對于汽車(chē)的行駛里程是足夠的。

薄膜電容的選擇

為了達到節能的目的，提高電機的效率，減少線(xiàn)損，就必須把系統電壓提高(見(jiàn)公式一)，電壓提高后，可以降低通過(guò)回路的電流，由于電流可以比較低，線(xiàn)損就會(huì )比較低。

目前系統電壓范圍從100多伏到300多伏，有些公司用于大功率驅動(dòng)的達到400多伏，由于控制電路自感及其在汽車(chē)在不同工況下使用的緣故，大多公司選用是額定電壓450V以上的電容。

根據電機功率的不同，目前有不同的IGBT模塊可以使用，同樣對于直流支撐電容器，不同的廠(chǎng)家也推出了不同的產(chǎn)品，主流薄膜電容器廠(chǎng)商比如廈門(mén)法拉和EP公司都推出了不容容量和結構的電容可供選擇。選擇時(shí)主要考慮額定容量、允許容量的偏差、額定電壓、最大電壓、電池電壓的波動(dòng)范圍、開(kāi)關(guān)頻率、紋波電流有效值、最大峰值電流、相間續流電流大小、電機額定功率、峰值功率、環(huán)境溫度、最高工作溫度、最高工作海拔、散熱方式和壽命要求等指標。

應用分析

4.1 紋波電壓產(chǎn)生的原因

IGBT工作的時(shí)候，電路兩端負載發(fā)生變化，母線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生紋波電流。如果沒(méi)有C3電容器，那么電流將全部流經(jīng)電池組，導致Ur產(chǎn)生波動(dòng)(Ur=Iripple×r)，U=U1+Ur，所以U兩端將產(chǎn)生較大的紋波電壓，影響IGBT的正常工作。

4.2 電容器組的作用

如果在母線(xiàn)兩端并上電容器組，當ESR+1/ωC<<r時(shí)，母線(xiàn)上的紋波電流將大部分流過(guò)電容器組，這樣就大大降低了母線(xiàn)上的電壓波動(dòng)，有利于IGBT的正常運行。

4.3 電容器的選擇

要使ESR+1/ωC<<r，ωC要足夠大。當ω較小時(shí)，即IGBT開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下，電容器組的容量需要足夠大，這時(shí)薄膜電容器就沒(méi)有優(yōu)勢。在IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高的情況下，電容器組需要的容量大大下降，這時(shí)電容器本身的耐電流能力就成為元件選擇的主要考慮因素，薄膜電容器的優(yōu)勢也就顯示出來(lái)了。

工程應用上，可以通過(guò)計算機模擬得到系統需要的最小電容器容值。當然，如果設計前已知了電路中的最大允許紋波電壓和紋波電流的有效值。那么，系統中需要的最小容值可以通過(guò)下面的公式計算：

由于系統中的濾波電流相對較大，而電解電容又有0.02A/μF的濾波電流限制，所以在開(kāi)關(guān)頻率較高的逆變器中一般不按最小容值選擇電解電容器，而是按下面公式選擇電解電容器的容值：

下面以某電機電機驅動(dòng)系統是30KW的純電動(dòng)車(chē)型舉例說(shuō)明，驅動(dòng)器上的參數為：Vw=336V；　Uripple=4V；Irms=100A@10KHz。需要的最小容值為：

這個(gè)容量的薄膜電容器很容易找到。如果選用電解電容器，則需要的容量是：

由此可以得出，開(kāi)關(guān)頻率較高的逆變器中使用薄膜電容器可以大大減小應用中所需要的容值。

總結

高性能直流環(huán)節薄膜電容器是采用新型制造技術(shù)和金屬化薄膜技術(shù)的電容器。它增加了傳統薄膜電容器的能量密度，即電容器的體積也隨之縮小。另一方面，通過(guò)電容器芯與總線(xiàn)的集成，可以滿(mǎn)足用戶(hù)靈活的尺寸要求。它不僅使整個(gè)逆變模塊更加緊湊，而且大大降低了應用電路中的雜散電感，使電路性能更加優(yōu)越。電動(dòng)汽車(chē)電路設計具有高電壓、高有效值電流、過(guò)電壓、反向電壓、峰值電流和長(cháng)壽命的要求。薄膜電容器無(wú)疑是電動(dòng)汽車(chē)作為直流支持電容器的最佳選擇。