替代电解电容的薄膜电容技术.doc

薄膜电容替代电解电容技术概述 （DC-Link 电容器） 电容器经过了几个历史阶段在过去多年的发展、创新中，金属化膜电容 器得到长足的发展，不但反映在膜本身上，也同时反映在金属镀层以及分割技 术上 1、薄膜生产商已开发生产出更薄的膜； 2、金属镀层成分配比、均匀程度、防暴技术等更加能满足电特性要求； 3、金属化的分割技术进一步得到改进 聚丙烯薄膜电容能够比电解电容更加经济地覆盖 600VDC 到 8000VDC 的 电压范围薄膜电容具有的许多优势，使它替代电解电容成为工业和电力电子 功率变换市场的趋势 一、薄膜电容与电解电容的性能对比 薄膜电容的优点包括了： 1、承受高的有效电流的能力； 2、能承受两倍于额定电压的过压； 3、能承受反向电压； 4、承受高峰值电流的能力； 5、长寿命，可长时间存储； 6、无酸性、无污染、无存储问题 但是，这种替代并非“ 微法对微法” 的替代，而是功能上的替代当然，尽 管膜电容技术有了长足的进展，但不是所有的应用领域都能替代电解电容 电解电容技术 典型的电解电容的最大标称电压为 500 到 600V所以在要求更高电压的 情况下，使用者必须将多只电容串联使用。

同时，由于各电容的绝缘电阻不同， 使用者必须在每个电容上连接电阻以平衡电压 此外，如果超过额定电压 1.5 倍的反向电压被加在电容上时，会引起电容 内部化学反应的发生如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或 者随着电容内部压力的释放电解液会流出为了避免这种危险，使用者必须给 每个电容并联一个二极管在特定应用中电容的抗浪涌能力也是考察电容的重要指标实际上，对电 解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是 V nDC 的 1.15 或 1.2 倍这种情况迫 使使用者不得不考虑浪涌电压而非标称电压 二、应用实例 1、流支撑滤波：高电流设计和容值设计 a) 使用电池供电的情况 应用为电车或电叉车 在这种情况下，电容被用来退耦膜电容特别适合这种应用因为直流支 撑电容的主要标准是有效值电流的承受能力这意味着直流支撑电容能够以有 效值电流来设计 以电车为例， 要求的数据： 工作电压: 120VDC ； 允许的纹波电压: 4V RMS ； 有效值电流: 80 A RMS@ 20 kHz ； 最小容值为： 在膜电容中，很容易找到接近的容值 与电解电容比较： 以每 μF 20 mA 为例，为了承受 80A 有效值电流，最小容值 比较可得：用膜电容替代电解电容时，膜电容容值是电解电容的 1/25 。

b)电网供电的电机驱动 直流母线电压波形： 容值的确定应从电网频率比逆变器频率低入手使用下述等式确定容值： 流过电容的有效值电流为（近似表示式），该电流没有考虑逆变器侧的电 流 通过上述近似式，我们能看出通过电容的有效值电流由负载功率、Umax 和 U ripple 决定 以下用一个具体的例子作解释： 直流电压 1000V， 纹波电压 200VI rms ：(P=1MW) = 2468Arms(P=500kW) = 1234Arms(P=100kW) = 247Arms 将低频部分放大： 为了方便比较，我们选择电流承受能力为 20mA 每 μF 的电解电容做比较 首先，P=1MW 时： rms 电流是 2468A rms, 需要的最小容值为 123.40mF 对应图中曲线的值，我们可以看到对频率低于 100Hz 的整流器，使用膜电 容，该容值同样是需要的 因此，对于三相，六整流管的整流器，频率为 300Hz我们可以看到对应 1MW 的曲线，需要 18.5mF 的容值与电解电容相比，如使用膜电容方案，体 积几乎可以缩小 4 倍，同时有更高的可靠型在更低功率的情况下，同样能够给出相同的结果 , 对于 10kW 的功率，虽 然容值变得很小，但是膜电容仍然是最好的解决方案。

甚至在 100Hz 整流器频率，只需要 555μF 的电容，供电电压与纹波电压仍 然与前面相同 2、过压设计 现在我们来看轻型牵引的应用，如：地铁，轻轨，电车等 直流支撑电压波形： 在接触断开时，能量来自直流支撑电容，结果电压降低因此，只要接触 重新被建立过压将出现其中 有时△V = 吊线电压，因为过压会达到额定电压的几乎 2 倍膜电容可以承 受这种过压 电解电容可承受最大 1.2 倍的额定电压所以，电解电容可以承受的最低 电压为： 2X1000V/1.2=1670V 需要四支 450V 的电解电容串联 考虑部分从网上得到的数据，10mF 的电解电容，体积为 26 升，最大有效 值电流为 20Arms而相同容值的膜电容，体积为 25 升，最大有效值电流可比 500Arms 还高 另外，由于过压的出现，也出现了流过电容的峰值电流因此我们必须计 算因过压产生的能量： I 2 t= 在几个周期后，电流变为零,那么： 其中：这种能量的计算也被用于端间短路放电的过程这样的放电会产生非常高 的峰值电流与振铃，这是电解电容不能承受的 3、电压的额定 对于要求高额定电压的场合，膜电容的解决方案无疑很有优势。

但如果要求高容值的场合，膜电容解决方案的竞争力就会减弱的确，如 果没有过压，有效值电流很低，同时需要大容值的场合，在 700V 以下的应用 中，膜电容很难与电解电容竞争 4、寿命计算： 膜电容允许有很长的寿命期望，其寿命的长短由负载电压条件（工作电压） 与热点温度决定 对于直流滤波电容，其寿命符合下面的曲线： 我们可以从这些曲线中看出，在工作电压为额定电压并且热点温度为 70°C 的情况下，膜电容的设计寿命为 100,000 小时 寿命结束的标准为 2％的电容容值的减少然而，这是寿命结束的理论值， 因为，在到达该点以后，电容仍然能够使用如果在应用中允许 5%的容值减少， 寿命将得到显著的增加 热点温度由下述的表达式决定： 其中，θmax hot spot ：最大热点温度 tgδ0：电介质损耗 Rth ：热阻Rs ：串联电阻 三、结论 以上我们为工程师进行设计优化提供了技术参考，在实际应用中仍然需要 完整的计算以及实际测试 然而，如果设计为低电压、低有效电流、且无反向电压，同时也没有峰值 电流，那膜电容技术不合适 但如果设计要求为高电压、高有效电流，有反向电压和过压，同时也有峰 值电流，有长寿命要求，那么 聚丙烯金属化膜电容是最好的选择。