雖然電容器版本沒有太大變化，但現(xiàn)在有許多新的電源應(yīng)用，例如替代能源、電動汽車 (EV)、儲能等。本文將比較各種技術(shù)并考慮一些使用示例。

鋁電解有他們的一天嗎?

成本是許多現(xiàn)代系統(tǒng)的主要驅(qū)動因素，鋁電解電容器的成本繼續(xù)低于等效薄膜電容器，使其在大容量儲能應(yīng)用中很受歡迎?？梢酝ㄟ^針對預期應(yīng)用對它們進行適當降級來消除它們具有較低壽命和可靠性的概念。此外，一般來說，它們?nèi)匀荒軌蛱峁┍缺∧ゎ愋透玫膯挝惑w積能量存儲——除了分段高結(jié)晶金屬化聚丙烯等專業(yè)類型之外。鋁電解在許多應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的高溫下表現(xiàn)更好，特別是在紋波電流額定值等參數(shù)方面。

薄膜電容哪里好?

薄膜可以提供低得多的 ESR 額定值，顯著提高紋波電流性能，并且可以提供更好的浪涌額定值。由于它們的結(jié)構(gòu)，它們還提供更好的可靠性，因為它們可以在壓力后“自我修復”，具體取決于壓力重復的數(shù)量和頻率。在電動汽車中，沒有“保持”要求，因此薄膜電容器在這里是理想的，而且隨著電池組的增加和總線電壓的升高，薄膜電容器的額定電壓是一個好處。在這里使用鋁電解電容器需要復雜(且昂貴)的串聯(lián)電壓平衡電阻器，以克服其 550V 左右的額定電壓。

哪個更好?

在理想條件下，可靠性差異并不大，雖然薄膜電容器可以承受 100% 的過壓，但電解液經(jīng)常會在超過 20% 的過壓下?lián)p壞。在正常操作中，偶爾會出現(xiàn)壓力，而自修復薄膜類型可以更好地應(yīng)對這種情況，尤其是因為電解液可能會短路和嚴重失效，從而導致整組組件失效。

實際上，薄膜更易于使用——它不是極化的，因此不會錯裝——并且連接的形式因素和范圍使安裝更容易。

薄膜電容器類型

在“薄膜”的通用標題中，有許多具有不同性能的不同電介質(zhì) 。

如果壓力下的損耗和可靠性是主要考慮因素，那么聚丙烯 (PP) 是最佳選擇，因為它具有低損耗因子 (DF) 和高介電強度。低 DF 表示較低的損耗和較低的發(fā)熱。然而，其他類型在給定尺寸下存儲更多電荷或在高溫下更好，聚酯 (PET) 仍然是低壓應(yīng)用的最佳選擇。

PP電容的結(jié)構(gòu)

使用金屬箔和沉積金屬化的薄膜電容器結(jié)構(gòu)主要有兩種類型。。

對于高峰值電流，在介電層之間插入 5 微米金屬箔，但這不具有自愈特性。

或者，可以使用真空形成的金屬化膜。鋁金屬化是在高溫下沉積的，盡管鋅或鋁鋅合金是替代品。如果發(fā)生擊穿，局部加熱(高達 6000 o C)會形成等離子體，從而停止放電并修復缺陷。隨著時間的推移，電容會因為這個過程而減少，從而可以確定電容器的老化情況——并在需要時進行更換。

可以通過將膠片分成數(shù)百萬個區(qū)域來解決嚴重過載問題，每個區(qū)域的電流都充當保險絲。額外的安全裕度允許更高的電壓額定值，但確實會降低峰值電流處理。

帕申曲線

由于材料的介電強度為 650V/μm，PP 電容器具有數(shù)千伏的擊穿電壓。然而，在這些高電壓下，局部放電 (PD) 或電暈是可能的。材料中的微孔或氣隙分解，留下微量的碳。最初，這幾乎沒有影響，但隨著時間的推移可能會導致突然和完全崩潰。

有幾種方法可以解決 PD。一種是用油填充高壓電容器，從而去除氣孔。或者，電容器可以在外殼內(nèi)分段，以減少低于起始電壓的電壓應(yīng)力。減小電介質(zhì)厚度是另一種通過減小電壓梯度起作用的方法。

結(jié)合箔和金屬化的“混合”方法可以在提高峰值電流能力和自愈能力之間取得平衡。

薄膜電容器應(yīng)用

一個應(yīng)用示例是具有 90% 效率和功率因數(shù)校正 (PFC) 前端的 1kW 離線電源?？紤]到電源波動，需要 20ms 的穿越(保持)來阻止總線電壓降至 300V 的壓降電壓以下，之后輸出會受到影響。

存儲在 C1 中的能量在保持時間內(nèi)保持輸出，必要的電容器大小由下式計算：

在一個實際的例子中，使用鋁電解，這將是大約 52cm 3 (3 立方英寸)，例如TDK-EPCOS B43508系列。薄膜電容器需要并聯(lián)大約 15 個 TDK-EPCOS EPCOS B32678。對于 1500 cm 3 (91 立方英寸)的尺寸，這不是一個可行的解決方案。

如果這是一輛電動汽車，那么總線電壓將來自電池，而電容器將僅管理紋波而無需保持要求。通常，這可能是來自以 20 kHz 運行的 80 A rms 轉(zhuǎn)換器的 4 V rms。電容變?yōu)椋?

然而，一個 EPCOS TDK-EPCOS B43508系列 180 μF 450 V 電解液在 60?o C時的額定紋波電流僅為 3.5 A rms 。因此，需要并聯(lián) 23 個電容，導致電容為 4140 μF，而體積為 1200 cm 3 ( 73 立方英寸)。有趣的是，這驗證了電解液的 20 mA/μF“經(jīng)驗法則”紋波電流額定值。

一個薄膜選項是EPCOS B32678，其中四個并聯(lián)將在 402cm 3 (24.5 立方英寸)范圍內(nèi)給出 132 A rms 的額定值——如果工作溫度較低，這可以進一步降低。薄膜還具有更好地應(yīng)對瞬態(tài)過電壓的優(yōu)勢。

如果設(shè)計人員堅持使用電解，則必須管理與巨大電容相關(guān)的浪涌電流。

這個例子經(jīng)常出現(xiàn)在 UPS 系統(tǒng)、風能和太陽能、焊接和并網(wǎng)逆變器中。

其他應(yīng)用：去耦和緩沖

許多電源應(yīng)用，包括逆變器，都需要緩沖或去耦。通常，如果有足夠的空間，則首選薄膜/箔，因為金屬化設(shè)備需要特殊的設(shè)計和制造。

在去耦應(yīng)用中，電容器放置在直流電軌上，允許高頻電流通過。該電容器的額定值通常為每 100A 開關(guān)電流 1μF。

如果沒有安裝去耦電容器，電流會通過更高電感的回路循環(huán)，從而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓，即使是幾 nH 的電感也會產(chǎn)生很大的電壓，di/dt 值通常為 1000 A/μs。PCB 走線通常會引入 1nH/mm 的寄生電感，這意味著短走線是必不可少的。

為了抑制 IGBT 或 MOSFET 上的 dV/dt，需要在電容器中添加一個電阻器/二極管網(wǎng)絡(luò)。

緩沖通過減慢振鈴來控制 EMI。由于高水平的 dV/dt，它還可以阻止雜散開關(guān)，尤其是 IGBT。電容器的值可以通過將開關(guān)輸出電容和安裝電容之和加倍來確定。選擇電阻值以實現(xiàn)任何振鈴的臨界阻尼。其他最佳方法是可用的，例如 McMurray [4] 中的方法。

在電源應(yīng)用中過濾 EMI

由于具有自我修復和承受瞬變的能力，安全等級的 PP 電容器通常用于在線到中性線的電源應(yīng)用中，以衰減差模 EMI。這些電容器需要承受 4 kV 或 2.5 kV 瞬態(tài)電壓，額定值為X1 或 X2。各種 EMC 標準需要微法拉值才能達到標準合規(guī)性。

在線對地應(yīng)用中，使用具有 8 kV 和 5 kV( Y1 和 Y2)瞬態(tài)額定值的 Y 型電容器可以降低共模噪聲。由于薄膜電容器的低連接電感，自諧振仍然很高，前提是與地/地的連接保持較短。

過濾電機驅(qū)動器和逆變器

由于電機通常遠離驅(qū)動器，因此需要進行濾波以降低系統(tǒng) EMI，從而滿足整體 EMC 要求并降低電纜和電機的電壓應(yīng)力。由于高紋波電流額定值、體積效率和可靠性，PP 薄膜電容器非常理想。電感器和電容器形成一個低通濾波器，并且可以一起封裝在一個濾波模塊中。