用薄膜電容器替代鋁電解電容器的分析與實踐

1 前言

鋁電解電容器是制約變頻器使用壽命的最關鍵的元件，其主要原因是鋁電解電容器的壽命問題，特別在變頻器這樣的高諧波電流、高溫的應用場合。相對其它元件而言，鋁電容電容器的壽命是最短的。

2 “直流支撐”與“DC-Link”電容器的作用

在直流電作為逆變器的供電電源時，由于這個直流電源需要通過直流母線與逆變器鏈連，這種供電方式也被稱為“DC-Link”。由于逆變器需要向“DC-Link”索取有效值和幅值很高的脈動電流，會在“DC-Link”上產生很高的脈動電壓使得逆變器難以承受。為此，需要對“DC-Link”進行“支撐”，以確保“DC-Link”的供電質量。

在大多數情況下，支撐“DC-Link”的元件是電容器。“DC-Link”電容器的作用主要是吸收來自于逆變器向“DC-Link”索取的高幅值脈動電流，阻止其在“DC-Link”的阻抗上產生高幅值脈動電壓，使逆變器端的電源電壓波動保持在允許范圍。

“DC-Link”電容器的第二個作用就是防止來自于“DC-Link”的電壓過沖和瞬時過電壓對逆變器的影響。

3 工頻多相整流的直流母線電容器的作用

三相橋式整流電路或12相整流電路用于負載電流沒有突變的應用中，沒有必要在整流輸出端跨接直流母線電容器，由于沒有電流突變，整流器及交流電源的寄生電感生產的感生電勢不會很高而影響輸出電壓。

然而，當負載為開關功率變換器時，開關功率變換器將向直流母線索取開關頻率下的紋波電源，如果這個電流流入直流母線及交流側的寄生電感，將會產生不能容忍的開關頻率下的紋波電壓。從這一點看，直流電源不再是僅僅提供直流電流，而是需要提供帶有豐富交流成分的脈沖電流，這時的直流電源不僅需要低的直流內阻，還需要在很寬的頻帶寬度內均具有良好的低阻抗。而這個寬頻段的低阻抗作為整流器的直流電源是不會提供的，要想獲得良好的寬頻段的低阻抗必須應用性能良好的電容器。利用電容器電壓不能躍變和電容器容抗隨頻率的升高而降低的特性，用電容器降低直流母線的交流阻抗。

從這個角度考慮，三相橋式整流或12相整流輸出直流母線并接的電容器不再是平滑電壓的濾波電容器，而是電源旁路電容器，或稱為“直流支撐”、“DC-Link”電容器。

“直流支撐”、“DC-Link”電容器可以選擇鋁電解電容器，也可以選擇薄膜電容器。由于鋁電解電容器自身可承受的紋波電流值比較低，在“直流支撐”、“DC-Link”應用中需要滿足承受高幅值紋波電流，這就要求在選擇鋁電解電容器時要按紋波電流的大小選擇鋁電解電容器，如果負載產生20A的紋波電流，要選擇1000µF的電容量。

從上述敘述可以得出結論，直流支撐電容器的作用就是在負載電流波動時為負載提供“無感”的直流“電源”，消除開關與供電電源之間無法估計的并且量值很大的寄生電感所產生的不希望出現的感生電視的電壓尖峰。

盡管這種解決方案可能是最優的，但是價格可能是非常高，一般應用將接受不了。那么，是否有更好的解決方案？結論是可以有幾種低價格并且性能很好的解決方案。

4 價格問題

用薄膜電容器替代鋁電解電容器的關鍵是價格問題。如果額定電壓為700V的薄膜電容器能夠做到每一元人民幣1µF～2µF的電容量就可以替代鋁電解電容器。

有的電容器制造商認為每一元人民幣2µF的價格是絕對制造不出來的，也有的電容器制造商經過精打細算后認為是可以實現的。如果有足夠的電容量并且在價格上接近或低于鋁電解電容器，這樣的解決方案將是更好的。需要采用薄膜電容器替代鋁電解電容器時，應按小容量替換比例進行替換。

5 薄膜電容器替代鋁電解電容器方案

薄膜電容器替代鋁電解電容器最大的障礙是薄膜電容器的價格問題。如果電容器一比一替代在價格上肯定是不現實的。從上述分析可以知道，多相整流輸出濾波電容器不再是平滑作用，而是直流母線的電源旁路，因此，只要電容量能滿足電源旁路的要求即可。事實上，作為直流母線的電源旁路對電容量的要求并沒有鋁電解電容器時那么大，致使鋁電解電容器的電流承受能力差，而且ESR比較高的原因。

由于三相橋式整流器的電容器濾波實際上是直流支撐、DC-Link或直流母線旁路電容器。這樣問題的關鍵就是“濾波”電容器的電流承受能力是否滿足要求。薄膜電容器制造商已經制造出相應的金屬化聚丙烯薄膜電容器。EACO的SHD系列DC-Link單面金屬化聚丙烯薄膜電容器的數據如表1所示。