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深度解析薄膜hove和電解電容器的優勢

發布時間：2018-07-27 責任編輯：lina

【導讀】電容器可用於提供重要的穿越（ride-through）（或保持）能量，或用於減小電源轉換電路中的紋波及噪聲。選擇正確類型的電容器可能會對係統的總體尺寸、成本和性能產生深遠的影響。本文將討論一些常見應用中薄膜和電解電容器的優勢。

電容器可用於提供重要的穿越（ride-through）（或保持）能量，或用於減小電源轉換電路中的紋波及噪聲。選擇正確類型的電容器可能會對係統的總體尺寸、成本和性能產生深遠的影響。本文將討論一些常見應用中薄膜和電解電容器的優勢。

薄膜和電解電容器：基本比較

薄膜電容器具有低的等效串聯電阻（ESR），因而具有良好的紋波電流處理能力以及高浪湧電壓額定值和自愈性能，是電動汽車、可再生能源、以及工業驅動器等重要應用中許多功率調節任務的強有力競爭者。薄膜電容器特別適用於不需要保持（或穿越）的場合，例如在停電或線路頻率波動峰值之間，需要在高可靠性和低損耗前提下提供或吸收大的高頻紋波電流。

薄膜電容器也非常適合運行在高直流總線電壓的應用，以最大限度地減少電阻損耗。由於鋁電解電容器隻能提供額定值高達約550Vdedianya，yincigongzuozaigenggaodianyaxiadeyingyongxuyaojiangduogeqijianchuanlian，zhihouyoubiyaotongguoxuanzejuyoupipeizhidedianrongqilaifangzhidianyabupingheng，zhezhongfangfajiangguiyouhaoshi；或者增加電壓平衡電阻器，這會增大額外的能量損失和BOM成本。

另一方麵，當純粹的能量儲存密度（焦耳/厘米3）是shi關guan注zhu的de主zhu要yao參can數shu時shi，鋁lv電dian解jie電dian容rong仍reng然ran是shi一yi個ge強qiang有you力li的de選xuan擇ze對dui象xiang。其qi中zhong一yi個ge例li子zi就jiu是shi商shang用yong化hua的de離li線xian電dian源yuan，它ta需xu要yao經jing濟ji高gao效xiao的de大da容rong量liang能neng量liang存cun儲chu以yi便bian在zai停ting電dian時shi保bao持chi直zhi流liu輸shu出chu電dian壓ya，而er無wu需xu備bei用yong電dian池chi。適shi當dang降jiang低di額e定ding值zhi可ke以yi減jian少shao鋁lv電dian解jie電dian容rong的de壽shou命ming和he可ke靠kao性xing等deng問wen題ti。

然而，事實上鋁電解電容器隻能承受20％左zuo右you的de過guo電dian壓ya，如ru果guo再zai有you更geng高gao的de過guo壓ya，就jiu會hui發fa生sheng損sun壞huai，而er薄bo膜mo電dian容rong器qi在zai短duan時shi間jian內nei可ke承cheng受shou高gao達da約yue兩liang倍bei額e定ding電dian壓ya的de過guo壓ya。正zheng如ru在zai實shi際ji應ying用yong中zhong通tong常chang遇yu到dao的de情qing況kuang那na樣yang，自zi我wo修xiu複fu能neng力li可ke確que保bao對dui偶ou然ran的de過guo壓ya做zuo出chu更geng安an全quan的de反fan應ying。此ci外wai，薄bo膜mo電dian容rong器qi可ke以yi實shi現xian更geng容rong易yi的de連lian接jie和he安an裝zhuang，並bing且qie由you於yu是shi非fei極ji化hua產chan品pin，因yin此ci不bu會hui出chu現xian反fan向xiang連lian接jie錯cuo誤wu。它ta們men通tong常chang封feng裝zhuang在zai絕jue緣yuan的de、在體積方麵非常高效的長方形“盒子”外殼內，可進行螺絲端子、接線片、“fastons”快接或總線排（bus bars）等各種電氣連接。

表1比較了常用薄膜電容器類型的特性。聚酯類可在低電壓下使用，而聚丙烯由於其低損耗因數（DF）和單位厚度的高介電擊穿能力，因此通常在高應力下表現出最低的損耗和最高的可靠性。DF相對比較穩定，不隨溫度和頻率有很大變化。分段高結晶金屬化聚丙烯也可采用，並且能提供與鋁電解電容相當的能量密度。

表1：常用薄膜電容器類型及其特性。

選擇合適的電容器

通過分析一些常見的電源轉換電路可以顯示選擇不同的電容器技術如何會深度影響係統的尺寸、重量和成本，同時取決於電容是否需要用於儲能或處理波紋噪聲。

例如，對於用作1kW離線轉換器的大容量電容，通過比較電解電容器和薄膜電容器可以清楚地說明這兩種類型電容器之間的特性差異。如圖1所示，該轉換器具有功率因數校正前端，且具有400V的標稱直流總線電壓（Vn）。

圖1：電容器用作停電穿越的能量存儲。

假設效率為90％，並且電壓降（Vd）為300V，低於該值，將會失去輸出調節功能。如果發生停電，當總線電壓從400V降至300V時，大容量電容器C1提供能量以保持恒定的輸出功率。我們可以計算在電壓降至300V以下之前要進行20ms穿越所需的C1值：

TDK-EPCOS B43508係列的680μF 450V鋁電解電容器其尺寸為直徑35mm x 55mm，滿足總體積為53cm3（約3立方英寸）的要求。

相比之下，使用薄膜電容器解決方案會導致不切實際的大體積：可能需要並聯多達15個TDK-EPCOS B32678薄膜電容器，從而導致1500cm3（91立方英寸）的總體積。

如果僅需要電容器來控製電動汽車動力係統等直流線路上的紋波電壓，則在選擇電容器時將會呈現顯著不同。總線電壓可能與以前一樣為400V，但由采用電池供電，因此不存在穿越需求。在下遊轉換器以20kHz的開關頻率提取80Arms脈衝電流時，將紋波限製在4Vrms以內是非常現實的，所需的電容是：

TDK-EPCOS B43508係列的180μF450V電解電容在60°C時的紋波電流額定值約為3.5Arms，這其中包括了頻率校正。處理80A的電流需要並聯23個電容器，將導致不必要的4140μF大電容和約為1200cm3（73立方英寸）的總體積。這與電解電容紋波電流額定值的20mA /μF經驗法則一致。

使用TDK-EPCOS B32678係列薄膜電容器，隻用四個器件並聯就可以達到132Arms的紋波電流額定值，體積隻有402cm3（24.5立方英寸）。此外，如果環境溫度可以保持在70°C以下，可以選擇尺寸更小的電容器。

還hai有you其qi他ta一yi些xie原yuan因yin使shi得de薄bo膜mo電dian容rong器qi成cheng為wei最zui佳jia選xuan擇ze。多duo個ge電dian解jie電dian容rong器qi的de並bing聯lian導dao致zhi過guo大da電dian容rong，可ke能neng出chu現xian控kong製zhi浪lang湧yong電dian流liu中zhong的de能neng量liang等deng問wen題ti。此ci外wai，在zai電dian動dong汽qi車che等deng輕qing載zai牽qian引yin應ying用yong中zhong直zhi流liu連lian接jie瞬shun態tai過guo壓ya的de情qing況kuang很hen常chang見jian，薄bo膜mo電dian容rong器qi的de表biao現xian更geng為wei穩wen健jian。

類似的分析也適合於UPS係統、風力或太陽能發電機的功率調節、通用並網逆變器和焊機等應用。

作為首選的薄膜電容器

薄膜或電解電容器的相對成本可以從大容量存儲或處理波紋能力角度進行分析。如表2彙總的結果所示，2013年公布的數據1比較了由整流440VAC電源供電的直流總線典型成本：

表2：薄膜和電解電容器的成本比較。

考慮到上述分析，薄膜電容器是去耦、開關緩衝和EMI抑製或逆變器輸出等濾波應用的絕佳選擇。

配置在逆變器或轉換器直流總線上的去耦電容器為高頻電流循環提供一個低電感路徑。經驗法則是每100A開關使用大約1μF電容，值得注意的是，與電容器的連接應盡可能短以避免產生瞬態電壓。在電流很大且頻率較高時，1000A/μs的變化幅度都是可能的，考慮到PCB走線可能具有約1nH / mm的電感，根據以下等式，每毫米可以產生1V的瞬態電壓：

在開關緩衝電路中，電容器與電阻/二極管組合串聯，並通過電源開關（通常為IGBT或MOSFET）連接，以控製dV/dt，如圖2所示。

圖2：IGBT或MOSFET的開關緩衝。

緩衝電容能夠減低振鈴，可控製EMI，還可以防止虛假開啟/關閉。緩衝電容的大小通常是要選擇大約是開關輸出電容和安裝電容總和的兩倍，電阻值的選擇以能夠阻止所有振鈴為標準。

EMI抑製

如圖3所示，薄膜電容器利用其自恢複和瞬態過壓能力，也可理想地用作X型和Y型電容器，分別降低差分模式和共模噪聲。安全級別的X1（4kV）或X2（2.5kV）電容器通過電源線連接，通常為聚丙烯類型，電容值通常為幾個μF，需要符合所適用的EMC標準。

具有低連接電感的Y型電容器處在輸入線對地連接的位置。在這裏， Y1或Y2電容器的額定瞬態電壓分別為8kV和5kV，rutusuoshichuzaishuruxianduidilianjie。zhenduiloudianliudekaolvxianzhilekeyishijiadedianrongliang，suiranbomodianrongqidedilianjiedianganyouzhuyubaochijiaogaodezigongzhen，danyingbaochiwaibujiedixitongjiaoduan。