薄膜電容替代電解電容在DC-Link電容中的運用分析

0 引言

隨著各國出臺新能源相關政策以及新能源產業的發展，該領域的相關產業的發展也帶來了新機遇，電容器作為必不可少的上游相關產品行業也獲得了新的發展機遇。在新能源及新能源汽車運用中，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中是決定變流器壽命的關鍵元器件。變流技術在上述系統中普遍得到運用，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，會在DC-Link上產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的阻抗上產生高脈沖電壓，使逆變器端的電壓波動處在可接受范圍內;另一方面也防止逆變器受到DC-Link端的電壓過沖和瞬時過電壓的影響。

為新能源(含風力發電和光伏發電)以及新能源汽車電機驅動系統中DC-Link電容器的運用示意圖圖1、2.

圖1為風力發電變流器電路拓撲圖，其中C1為DC-Link(一般整合到模塊上)，C2為IGBT吸收，C3為LC濾波(網側)，C4轉子側DV/DT濾波。圖2為光伏發電變流器電路拓撲圖，其中C1為DC濾波，C2為EMI濾波，C4為DC-Link,C6為LC濾波(網側)，C3為DC濾波，C5為IPM/IGBT吸收。圖3為新能源汽車系統中主電機驅動系統，其中C3為DCLink,C4為IGBT吸收電容。

在上述提到的新能源領域運用中，DCLink電容作為一個關鍵器件，不管是在風力發電系統、光伏發電系統還是在新能源汽車系統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比及在DC-Link電容運用中兩者的分析對比：

1.特性對比

1.1 薄膜電容

首先介紹薄膜金屬化的原理，薄膜金屬化技術的原理：在薄膜介質表面蒸鍍上足夠薄的金屬層，在介質存在缺陷的情況下，該鍍層能夠蒸發并因此隔離該缺陷點起到保護作用，這種現象被稱作自愈。圖4為金屬化鍍膜的原理圖，蒸鍍前薄膜介質先進行前期處理(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下高溫溶化蒸發(鋁的蒸發溫度1400攝氏度~1600攝氏度，鋅的蒸發溫度400攝氏度~600攝氏度)，當金屬蒸氣遇被冷卻的薄膜后凝結在薄膜表面(薄膜冷卻溫度-25攝氏度~-35攝氏度)，從而形成金屬鍍層。金屬化技術的發展提高了單位厚度的薄膜介質的介電強度，干式技術脈沖或放電運用電容設計可以達到500V/μm,直流濾波運用電容設計可以達到250V/μm.DC-Link電容屬于后者，根據IEC61071對于電力電子運用電容的要求可以承受較為苛刻的電壓沖擊，可以達到2倍的額定電壓。因此使用者只需考慮其設計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計要求，減少了開關頻率下的震蕩效應。

薄膜介質的質量、金屬化鍍層質量、電容器設計及制造過程工藝決定了金屬化電容器自愈特性的好壞。Faratronic生產的DC-Link電容用的薄膜介質主要為OPP薄膜。

1.2 電解電容

電解電容使用的介質為鋁經過腐蝕形成的氧化鋁，介電常數為8~8.5,工作的介電強度約為0.07V/A(1μm=10000A)，按照計算對于900Vdc的電解電容需要的厚度為12000A.然而要達到這樣的厚度是不可能的，因為為了獲得好的儲能特性所用鋁箔要進行腐蝕形成氧化鋁膜，表面會形成許多凹凸不平的曲面，鋁層厚度會降低電解電容的容量系數(比容)。另一方面，低電壓的電解液電阻率為150Ωcm,高電壓(500V)的電解液的電阻率則達到5kΩcm.

電解液較高的電阻率限制了電解電容所能承受的有效值電流，一般為20mA/μF.

基于上述原因電解電容的設計最高電壓典型值為450V(有個別廠家設計600V)。

因此，為了獲得更高的電壓必須用電容器串聯實現，然而因各個電解電容的絕緣電阻存在差異，為了平衡各串聯電容的電壓，各電容必須連接一個電阻。此外，電解電容為有極性器件，當施加反向電壓超過1.5倍Un時，會發生電化學反應。當施加的反向電壓時間足夠長，電容將發生爆炸，或冒頂電解液將外溢。為了避免該現象發生，使用的時候要在每個電容旁并上一個二極管。除此之外，電解電容的耐電壓沖擊特性，一般為1.15倍Un,好的可以達到1.2倍Un.這樣設計師在使用時就不但要考慮穩態工作電壓大小，而且還要考慮其沖擊電壓大小。

綜上所述，可以得出薄膜電容與電解電容如下特性對比表，見表1.

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