电容器在电力电子中的应用，缓冲器、滤波器和EMI

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。