电力应用中薄膜电容器和铝电解电容器的特性

设计电力电子设备的工程师发现，从储能到滤波器和去耦等多种功能都需要电容器。有不同的电容器类型可供选择，乍一看，它们的电容和电压额定值似乎相同，但性能却不尽相同。不正确的选择充其量会导致昂贵的“过度设计”的解决方案，最坏的情况是导致产品不可靠或不安全。

本文介绍了可考虑用于电力电子应用的不同类型的电容器。特别是，对电解和薄膜类型进行了比较，显示了各自如何以及何时发挥作用。更详细地描述了各种薄膜类型及其结构，并确定了优选的类型。详细检查了电容、纹波电流额定值、瞬态电压抗扰度和安全额定值以及其他特性的规格。讨论了电压应力后的“自愈”现象，解释了其物理机制及其在典型电路中的价值。确定了电力电子中薄膜电容器的主要应用，并就如何选择合适的薄膜电容器类型提供了指导。然后给出了一些示例电路的详细计算，显示了如何选择特定的电容器及其额定值。计算被推广以使工程师能够将它们用作设计的基础。

很难想象任何不包括某种类型电容器的现代电子产品。例如，它们可能是手机中非常小的表面贴装类型，但它们仍然存在。在电力电子中，功能是滤波、能量处理和传输，相比之下，电容器的体积可以以立方英寸为单位进行测量。在此应用中，有时似乎可以在铝 (Al) 电解液和薄膜类型之间进行选择，但就存储的能量密度而言，铝电解液在某些方面处于领先地位。唯一可比较的薄膜类型是奇特且昂贵的，例如“分段高结晶金属化丙烯”，即使这样，在高温下也不能很好地保持其纹波电流额定值。铝电解在寿命和可靠性方面的声誉相对较差，但这仅适用于他们努力工作的情况。随着电压、纹波电流和温度的适当降低，它们可以持续很多年。对于给定的容量电压 (CV) 额定值，它们的低成本当然是一个重要因素。这意味着它们是大容量储能应用的实用解决方案，例如商用 AC-DC 电源的内部高压 DC 总线。

薄膜电容器在电力电子领域占有一席之地

薄膜电容器类型确实比它们的铝电解表亲有一些优势。对于相同的 CV 额定值，它们可以具有低得多的等效串联电阻 (ESR)，这通常使它们具有更好的纹波电流额定值。它们对电压过应力的耐受性也相对更强，并且在某些情况下可以在一定程度的击穿后“自我修复”，从而提高系统可靠性和使用寿命。当局部击穿确实发生时，薄膜电容器的主体中会形成短路，但会出现等离子弧来清除短路。但这仅在压力范围内有效;由于碳沉积和对介电绝缘的附带损坏，仍然可能发生灾难性故障。在实践中，铝电解通常只能承受 20% 的电压过应力，而薄膜类型的数字可以在有限的时间内达到 100%。故障模式的差异也很显着;铝电解液通常会在过应力后短路，并导致爆炸性结果，导致液体电解质放电并损坏其他组件。

确实，铝电解和薄膜类型的理论故障率可以与正确的降额相媲美，但在实际应用中，偶尔会有来自感应负载或雷击的电压应力，系统可靠性可能完全不同。两项技术。由于湿度导致的退化是薄膜电容器的一个问题，但这与其他组件一样，因此应加以控制以获得最佳可靠性。

当储能不是主要参数时，大容量薄膜电容器可以成为一种高性能解决方案。一个例子是电池支持的直流总线，例如电动汽车、替代能源系统和不间断电源。在这些应用中，电容器的主要功能是提供和吸收可以以数百或数千安培测量的高频纹波电流，其中低电容器 ESR 对于实现低损耗和低纹波电压至关重要。

向更高总线电压的转变也有利于薄膜电容器类型。相同的能量在高压下以较小的 CV 额定值存储(由于 E=CV 2 /2 中的“平方”)，因此需要的容量更少，并且可以根据需要提供具有 kV 额定值的薄膜类型。铝电解电容器的技术限制在 550V 左右，虽然它们可以堆叠以获得更高的电压，但它们具有固有的高且可变的漏电流，需要并联平衡电阻器以及相关的成本和损耗。我们讨论了铝电解的短路失效模式;当串联时，以这种方式失败的一个将在其他两个之间施加高压，从而导致雪崩式损坏。

薄膜电容器和铝电解电容器之间的实际区别在于它们的安装选项。薄膜以体积效率高的矩形盒形式提供，可选择电线、螺钉、接线片、推入式连接器甚至母线端接。对于铝电解液，圆形金属罐是唯一的标准选项，尽管可以使用类似范围的端接。与铝电解不同的是，薄膜类型是非极性的，它们可以在施加任一极性的电压下愉快地工作，从而使它们防反向。这也意味着它们非常适合应用交流电压的应用，例如逆变器输出滤波。

我们已经讨论了一般的“薄膜”电容器，但有许多子类型具有不同的性能和应用。

在性能数据中，聚丙烯是电力应用的有力竞争者，具有宽电压和电容范围以及良好的自愈性能。在所有频率下特别低的耗散因数 (DF) 也很重要;DF 是 ESR 与容抗 ZC = 1/2πfC 之比。与其他电介质相比，较低的数字意味着较低的加热效应，并且是比较电容器类型每微法容量损失的一种方式。通常，DF 随温度和频率的变化略有变化，但聚丙烯在比较中表现最好。

对于不太重要的电力应用，聚酯可以是一种出色的低成本选择，因为它具有高比电容(CV/体积)和宽温度范围。

聚丙烯电容器结构

现在更详细地研究聚丙烯电容器，有两种基本结构——金属箔和金属沉积。在前者中，大约 5 微米厚的金属箔夹在介电层之间，具有高峰值电流能力，但没有自愈能力。在金属化薄膜结构中，铝或锌或锌合金在约 1200°C 下在真空下沉积到聚丙烯薄膜上，厚度约为 20 至 50nm。薄膜在沉积过程中保持低温，通常为 -25°C 至 -35°C。在此过程中，启用了自我修复。在使用中，局部击穿会导致剧烈加热，可能高达 6000°C，从而形成等离子弧。这会局部蒸发金属化层，等离子的快速膨胀会熄灭电弧，在大约 10µs 内隔离缺陷区域并允许电容器继续工作。失去了一些能力，但影响微乎其微，

金属化有时在薄膜上被分割成数百万个区域，狭窄的“门”将电流馈入这些部分并充当严重过载的保险丝。由于总电流路径的变窄，峰值电流处理能力略有降低，但引入的额外安全裕度因此允许电容器额定电压更高。

在某些设计中，箔和金属化结构结合在一起，以在峰值电流处理和自愈之间提供折衷的性能。金属化也可以从电容器的边缘分级，以便边缘处较厚的材料提供更好的电流处理和更坚固的焊接或焊接端接。分级可以是阶梯式的或连续的。

局部放电效应

所使用的聚丙烯薄膜的介电强度约为 650V/µm，厚度约为 2µm，因此很容易获得几 kV 的器件额定电压，零件电压为 100kV。尽管在非常高的电压下会产生影响——局部放电或“PD”。有时称为“电晕”，这是介电材料主体中的微孔或绝缘层之间的气隙的击穿。其效果是在绝缘中插入“部分”短路，有效缩短绝缘路径并局部降低击穿阈值电压。每个短路都会对剩余的绝缘层施加额外的压力，随着时间的推移它们会累积，达到一个临界点，并发生完全击穿。局部放电的检测依赖于专用设备，通过高压测试期间流动的瞬态额外电流记录单个击穿事件。事件中的能量虽然以皮库仑为单位测量，但很难检测到，但它可以很好地衡量绝缘状况随时间的变化。这 'Paschen 曲线描述了 PD 效应”，曲线 A，其特征是微孔尺寸和击穿电压之间的关系中的“最小值”鲜为人知。曲线 B 和 C 是通过绝缘体的两个示例场强——Paschen 曲线 (A) 上方的点可能会产生 PD 击穿。PD 具有用于开始击穿的“起始”电压，但在击穿停止之前具有较小的“熄灭”电压。

用油浸渍高压电容器有助于通过从绝缘界面置换具有较低击穿阈值的空气来治疗 PD。树脂填充的低压电容器在这方面也有帮助，并且还提高了机械强度。

PD 是由电场强度 (kV/mm) 引起的效应，因此较厚的介电材料不易受到影响，但以相同 CV 额定值的较大尺寸组件为代价。电容器可以串联连接，以便它们单独看到较低的电压应力，低于 PD 起始点，但可能需要平衡电阻器。有时高压电容器由一个外壳中的串联元件组成，以避免 PD。

电容器在电力电子中的应用

我们提到一个关键应用是电源转换器或逆变器的直流总线上的电容器，提供“穿越”或“保持”的需求是选择铝电解电容器或薄膜电容器类型的一个差异化因素。举个例子，看看每种类型是如何适合的，也许很有启发性。采用具有功率因数校正前端的 90% 效率、1kW 离线 AC-DC 转换器。其内部直流母线以 400VDC 标称工作，在转换器停止调节之前降至 300VDC。

如果在停电后需要 20ms 的穿越时间，则需要在直流总线上安装一个电容器，为转换器提供能量，以便在停电期间继续以 1kW 输出运行。为了计算所需的电容 (C)，我们将电容器从 400V (Vn) 下降到 300V (Vd) 时的能量差与提供给转换器的能量相等，即功率 (Po) 乘以时间(t) 除以效率 (η)。

从 TDK 的 B43508 系列中选择传统的高级电容器，它大约为 3 立方英寸或 52cm 3。要从 TDK B32678 系列中类似等级的薄膜电容器获得相同的总电容和额定电压，我们需要并联 16 个，总体积为 98 立方英寸或 1600cm 3。不同之处在于尺寸约为 30 倍，成本比例相似。

在不需要穿越但电容器用于最小化 400VDC 总线上的纹波电压的情况下，例如我们可能在 EV 应用中发现，典型值可能是 80A rms 纹波电流 (Irms)一个下游 20kHz 转换器，最大纹波电压为 4V rms。电容 C 可以近似为：

我们有时会看到电容器在这个位置的经验法则，即每 µF 额定 20mA，与我们的结果一致。TDK B43508系列中有一个小型低成本部件，额定值为 180µF、450V，但在 60°C 时只有 3.5A rms 纹波电流额定值，包括其频率校正因子。因此，对于 80A 纹波，我们需要 23 个并联，并具有不必要的 4140µF 总电容和大约 38 立方英寸或 621cm 3的体积，考虑到较差的封装系数。每个电容器的 ESR 约为 1ohm，因此在 3.5A rms 的情况下，每个电容器的功耗约为 10W。如果我们再看一下薄膜电容器，同样来自 TDK B32678 系列，只有四个并联，总计 160µF，450V 提供 132A rms 能力，体积为 24.5 立方英寸或 402cm 3. 电容 ESR 为 2.5 毫欧，每个电容的功耗仅为 1W。事情发生了逆转，薄膜电容器是正确的选择，它具有更低的功耗、更好的过压耐受最佳电容以及比 4140µF 的情况下的浪涌能量少得多。薄膜电容器是易于端接的引线盒式，只需要四个。

选择电容器的决定因素可能是成本而不是物理体积和耗散，因此我们可以采用相同的两个 TDK 系列电容器，并比较每焦耳储能值和每安培纹波电流额定值。使用来自高服务分销商的数据[4]，对于大约 180uF 450V 的额定值，铝电解类型的计算约为 0.47 美元/焦耳，薄膜类型的能量存储约为 3 美元/焦耳。对于纹波电流，铝电解为 2.68 美元/安培，薄膜型为 0.42 美元/安培。这显示了近 6:1 的成本优势如何逆转，具体取决于应用要求。在大批量时，绝对成本会更低，但比率可能保持相似。

薄膜电容器作为缓冲器

电源转换器中电容器的另一个高价值应用是“缓冲”，即刻意减慢开关波形以降低 EMI 和半导体应力。在这里，重要的考虑因素是电容器承受高 dV/dt 或施加的电压变化率的能力，这可能会将高 rms 电流推入组件。同样，聚丙烯是一个很好的选择，特别是当金属化是双面的并且与金属箔结合制造以承受高电流时。用于该应用的电容器通常还具有非常低的电感端接，以实现对 AC 的低阻抗，以及高耐压裕度，以应对有时不确定的峰值电压。

薄膜电容器作为电源滤波器

尽管滤波通常被视为一种信号电平功能，但在逆变器和电机驱动器中，输出电容器会传递高纹波电流，以防止电缆上的高 dV/dt 水平导致应力和 EMI。当交流电被传递到负载时，电容器必须是非极化的，无论如何不包括使用铝电解电容器。应用环境通常很苛刻，需要聚丙烯电容器的稳健性、纹波额定值和体积效率。

EMI 滤波器

薄膜电容器广泛用于电源线 EMI 滤波器，与其说是因为它们的纹波电流额定值，不如说是因为它们具有随电压瞬变发生的自愈特性。机构安全等级的聚丙烯电容器通常在线路上分别承受 4kV 和 2.5kV 时的额定值为“X1”或“X2”，并且可以达到几个 µF 的值以满足 EMI 标准。用于衰减共模发射的线对地电容器是额定电压为 8kV 和 5kV 的“Y1”和“Y2”类型，但受线路漏电流考虑的限制。在这些 EMI 滤波应用中，典型薄膜电容器的低自感是一个优势，可保持较高的自谐振。

电力电子中的薄膜电容器应用广泛，在需要高纹波电流额定值或环境施加过压应力时表现出色，聚丙烯类型特别有价值。当比较薄膜和铝电解的 CV 额定值时，更深入的分析表明，虽然铝电解类型在简单的储能考虑方面胜出，但当薄膜通常是更好的选择时，实际的元件选择必须包括纹波电流额定值和可靠性考虑。