解析替代電解電容的薄膜電容在DC-Link電容中應(yīng)用

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(shí)，會(huì)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(dòng)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(shí)過電壓的影響。

1概念理解

1.1薄膜電容

以金屬箔當(dāng)電極，將其和聚乙酯，聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，從兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構(gòu)造之電容器即薄膜電容。而依塑料薄膜的種類又被分別稱為聚乙酯電容(又稱Mylar電容)，聚丙烯電容(又稱PP電容)，聚苯乙烯電容(又稱PS電容)和聚碳酸電容。主要有無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優(yōu)異(頻率響應(yīng)寬廣)，而且介質(zhì)損失很小。基于以上的優(yōu)點(diǎn)，所以薄膜電容器被大量使用在模擬電路上。尤其是在信號(hào)交連的部分，必須使用頻率特性良好，介質(zhì)損失極低的電容器，方能確保信號(hào)在傳送時(shí)，不致有太大的失真情形發(fā)生。在所有的塑料薄膜電容當(dāng)中，又以聚丙烯(PP)電容和聚苯乙烯(PS)電容的特性最為顯著，當(dāng)然這兩種電容器的價(jià)格也比較高。然而音響器材為了提升聲音的品質(zhì)，所采用的零件材料已愈來愈高級(jí)，價(jià)格并非最重要的考量因素，所以PP電容和PS電容被使用在音響器材的頻率與數(shù)量也愈來愈高。

圖片說明：薄膜電容

1.2電解電容

電解電容器通常是由金屬箔(鋁/鉭)作為正電極,金屬箔的絕緣氧化層(氧化鋁/鉭五氧化物)作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容 器。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過電解質(zhì)液(液態(tài)電解質(zhì))的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成;鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳.由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極(注意和電介質(zhì)區(qū)分)，電解電容器因而得名。其單位體積的電容量非常大、額定的容量可以輕易做到幾萬μf甚至幾f(但不能和雙電層電容比)以及價(jià)格低占有很大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殡娊怆娙莸慕M成材料都是普通的工業(yè)材料，比如鋁等等。制造電解電容的設(shè)備也都是普通的工業(yè)設(shè)備，可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本相對(duì)比較低。

圖片說明：電解電容

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(dòng)系統(tǒng)中DC-Link電容器的運(yùn)用示意圖圖1、2.

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(dòng)系統(tǒng)，其中C3為DCLink,C4為IGBT吸收電容。

在上述提到的新能源領(lǐng)域運(yùn)用中，DCLink電容作為一個(gè)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(duì)比及在DC-Link電容運(yùn)用中兩者的分析對(duì)比：

2.特性對(duì)比

2.1 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)并因此隔離該缺陷點(diǎn)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，干式技術(shù)脈沖或放電運(yùn)用電容設(shè)計(jì)可以達(dá)到500V/μm,直流濾波運(yùn)用電容設(shè)計(jì)可以達(dá)到250V/μm.DC-Link電容屬于后者，根據(jù)IEC61071對(duì)于電力電子運(yùn)用電容的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(jì)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(jì)要求，減少了開關(guān)頻率下的震蕩效應(yīng)。