薄膜电容器与应用.ppt

薄膜电容器与应用薄膜电容器l1876年英国D.斐茨杰拉德发明纸介电容器 这就是薄膜电容器的始祖l有机介质由于其性能优异而大量应用l有机介质可以分为聚乙烯、聚苯乙烯、聚 四氟乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚 酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、漆膜等l对于电力电子线路来说，应用最多的是聚 酯电容器、聚丙烯电容器薄膜电容器的特点l无极性lESR极低l允许比较高的电流流过l工作电压可以很高l温度范围宽l基本上无寿命限制l金属化电极具有自愈功能薄膜电容器的基本参数l额定直流电压、额定交流电压l电容量lESR、ESLldv/dt、有效值电流、峰值电流l工作温度额定直流电压、额定交流电 压l额定直流电压：是在整个温度范围内允许 持续施加的直流电压 l试验电压：电容器出厂前形式试验时对电 容器施加的电压，一般在1.5~2倍，持续时 间2分钟或500小时l介电强度：电容器的介质所能承受的电压 ，这个电压高于试验电压 l额定交流电压：电容器工作在交流电压下 可以连续施加的交流电压有效值额定交流电压与额定直流电压关 系l在一般情况下，额定交流电压与额定直流 电压关系为：电容器的交流电压与频率的 关系l当交流电的频率很低时，流过电容器的电流也很 低，这是电容器所允许施加的交流电压为额定交 流电压。

l随着频率的升高，流过电容器的电流增加当流 过电容器的电流达到电容器的额定电流时，将不 允许继续增加电流为了限制电流，需要电压降 额l随着频率继续升高，电容器的介质损耗上升，由 于电容器所允许的损耗为一定值，介质损耗增加 ，将要求ESR损耗降低，也就是说要进一步降低 电流有效值，来保证电容器的损耗为额定值电容器的电压与频率的关系l电容器可承受的交流电压、电流与频率的 关系 薄膜电容器电压与频率的关 系l当频率升高到一定程 度时，薄膜电容器允 许施加的电压将随频 率的升高而降低薄膜电容器电压与温度的关 系l薄膜电容器在不同温度下可承受的交流电 压 电容量的变化与温度的关系ESR、ESL与阻抗频率特性dv/dt 、峰值电流、有效值电 流l电容器的电流与dv/dt的关系：l当dv/dt为峰值时，对应的电流为峰值电流 l电容器允许的有效值电流受流过的电流在 ESR上的损耗限制工作温度l不同的介质，电容器的最高工作温度不同 一般来说，聚酯电容器的最高工作温度 为+125℃；聚丙烯电容器多为+85℃损耗因数与频率的关系损耗因数与温度的关系应用薄膜电容器需要注意的 问题l应用条件：l工作电压状态l电压变化速率l流过电容器的有效值电流与峰值电流薄膜电容器在电力电子线路中的 主要作用l旁路l缓冲与箝位l谐振l平滑与直流支撑l急剧放电l电源电磁干扰抑制薄膜电容器用作旁路l目的：l降低直流母线阻抗；l吸收来自负载的纹波 电流，抑制直流母线 电压因负载突变而出 现的波动。

薄膜电容器用于直流母线旁 路对性能的要求l尽可能低的ESRl满足要求的电容量l满足要求的额定有效值电流和峰值电流薄膜电容器用作缓冲与箝位l目的l对性能的要求电容器用于箝位电容器作为缓冲电容器电容器用于准谐振与有源箝 位薄膜电容器用于谐振式变换 器l目的：与电感共同实现谐振功能l对性能的要求：在相应频率下更够承受足 够的交流电压、电流谐振式变换器电路lLLC谐振式变换器l特点：低噪声谐振式变换器l谐振式高频感应加热功率变换器中频感应加热功率变换器l电路详见电力电子技术教材l特点：l为了降低成本、高输出功率，晶闸管逆变 器l为了获得更高的负载电流，采用并联谐振 方式l电容器的电流接近于负载电流中频感应加热电容器l特点：l电容量大l无功功率高l大电流l需要水冷薄膜电容器实现平滑与直流 支撑功能l目的：l平滑整流后直流电压l旁路（吸收）逆变器的纹波电流，改善直 流母线电压质量对性能的要求l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 l这意味着直流支撑电容能够以有效值电流 来设计 实例l以电瓶车为例， 要求的数据l工作电压: 120VDCl允许的纹波电压: 4VRMS l有效值电流: 80 ARMS @ 20 kHzl最小容值为l在膜电容中，很容易找到接近的容值。

如果采用铝电解电容器l与电解电容比较：l以每μF 20 mA为例，为了承受80A有效值 电流，最小容值l实际上可能需要两只4000μF的电电解电电容器 并联联电容器在电网供电时平滑与旁路作 用实例l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：l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如果直流电压1000V， 纹波电压 200VlI rms ：(P=1MW) = 2468Armsl (P=500kW) = 1234Armsl (P=100kW) = 247Arms频率与电容量的关系频率与电容来的关系低频部 分对电容量的要求（1）l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l考虑到 0.2Arms/μF,有效值电流为2468A时 ，需要的最小容值为123.4mF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 对电容量的要求（2）l因此，对于三相，六整流管的整流器，频 率为我们可以看到对应 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 时有更高的可靠型比较低的功率情况l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 l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10 kW逆变器对电容量的要求与 频率的关系滤波与平滑用薄膜电容器l滤波与平滑用电容器是用来平滑整流器输 出的电压、电流，在电压低于450V时通常 应用价格低廉的铝电解电容器，当电压高 于500V低于700V时仍可以应用铝电解电容 器串联的方式，但是在需要高可靠的场合 与电压高于1000V或更高时则应用薄膜电容 器作为滤波电容器为好薄膜电容器作为滤波电容器的应用 实例薄膜电容器作为滤波电容器薄膜电容器作为滤波电容器薄膜电容器作为滤波电容器电极结 构l安全要求：即使局部 击穿也不会造成整个 电容器的短路l如图电极结构可以在 电容器的某一部分击 穿是利用熔断电极狭 窄部分切断与整体的 联系B25645-A4180-J***-1的额定参 数：l额定电容量（CN）：1000μF±5%，额定电 压（UN）：DC400V，储能（WN）： 80WS，最大纹波电流有效值（Imax）： 60A，寄生电感（Lself）：5nH，损耗因 数（tanδ0）：50×10-4，ESR：0.9mΩ； 最大参数：浪涌电压（US）：450V，浪涌 电流（IS）：5kA，（du/dt）S：5V/μs； 测试参数：（UTT）DC550V，10秒，绝缘 电阻（Ris·C）：≥10000秒，损耗角正切（ 50Hz）：≤60×10-4。

B25655-A1148-K000的额定参 数：l额定电容量（CN）：1450μF±10%，额定电压（ UN）：DC1250V，交流输入电压（Ui）： 1100V，储能（WN）：1100Ws，最大纹波电流 有效值（Imax）：135A，寄生电感（Lself）： 40nH，损耗因数（tanδ0）：2×10-4，ESR： 0.8mΩ；最大参数：交流输入浪涌电压（U）： 1500V，浪涌电压（US）：1900V，交流输入浪 涌电流（I）：2kA，浪涌电流（IS）：20kA，（ du/dt）max：1V/μs，（du/dt）S：14V/μs；测 试参数：（UTT）DC1900V，10秒，（UTC） DC3500V，10秒，绝缘电阻（Ris·C）：≥10000 秒，损耗角正切（50Hz）：≤10×10-4薄膜电容器与电解电容器性能对 比l从上述两电容器的参数可以明显看到：与 铝电解电容器相比，ESR、最大有效值电 流、寄生电感、浪涌电压/额定电压的比值 、浪涌电流均明显优于铝电解电容器，还 有一个重要因素就是薄膜电容器的寿命是 铝电解电容器所无法相比的变频器/逆变器用滤波电容器安装结 构对比分析l简单经济的安装方式可以是采用导线连接 方式，常见于早期变频器/逆变器。

l现在比较常见的是整流器、整流滤波电容 器与逆变器之间采用铜板连接l对于采用变频器专用薄膜滤波电容器的变 频器的安装结构更是尤为重要，必须采用“ 功率PCB”的方式，其目的就是使直流母线 的寄生电感最小化用铝电解电容器滤波的变频器的结 构图变频器专用薄膜滤波电容器构成的 变频器的结构图EPCOS的B25645-A4180-J***-1变 频器专用薄膜滤波电容器的结构对比结果l通过两图比较可以看到，采用变频器专用 薄膜滤波电容器的变频器结构相对简单 结构简单的一个最大好处之一就是母线寄 生电感更低，因为变频器专用电容器模块 可以直接装在母线板上，这样所产生的寄 生电感将明显小于装在散热器旁边的铝电 解电容器用铜板或母线连接到IGBT的方式 薄膜电容器的优势l综上所述，采用薄膜电容器作为变频器/逆 变器的整流滤波电容器不仅可以大大提高 变频器/逆变器的应用寿命，避免更换滤波 电容器之苦和付出的成本代价，同时由于 薄膜电容器的低ESR使你便电路中的开关 管上的电压应力大大减小，有利于开关管 的工作状态与可靠性直流支撑电容器在直流链电路中的 作用l在旁路逆变器纹波电流的同时，还要抑制 来自于直流练得上电过电压l主要应用：轻型牵引的应用，如：地铁， 轻轨，电车等 薄膜电容器作为直流支撑电 容器l轻型牵引的应用，如：地铁，轻轨，电车等直流支撑电压波形 l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 情况分析l更糟的情况是过压会达到额定电压的几乎2倍 l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 l膜电容可以承受这种过压 l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还高寿命计算:l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：聚丙烯薄膜电容器寿命与工作电 压的关系l在实际应用中，铝电解电容器的寿命是无 法同薄膜电容器相比的薄膜电容器用于急剧放电l目的：可以用于直流脉冲电容器应用于脉 冲发生器，充磁、退磁机，激光电源，医 用器械，储能焊接等领域中 l对性能的要求：高电压、高储能、高放电 电流储能电容器的性能l电容器用于放电应用通常是能够提供非常 高的放电电流和高储能，如我国的九方合 荣生产的脉冲电容器的放电电流可达 12.5kA！储能750焦耳（这个数值大约为 5000法拉超级电容器的1/50，但是超级电 容器由于ESR还是较大，释放不了这么大 的电流）。

可以用于直流脉冲电容器应用 于脉冲发生器，充磁、退磁机，激光电源 ，医用器械，储能焊接等领域中 薄膜电容器用于输出整流滤 波l薄膜电容器由于 其ESR极低和优 异的可靠性，在 高可靠性的大功 率开关电源的输 出整流滤波应用 将是一个不错的 选择特点lESR极低，据测试，80μF/30V的薄膜电电容 器的ESR仅仅仅仅 几个μΩ！l可以流过过很大的电电流，电电容器的电电极或者 用铜铜板，或者用多个引脚引出l寄生电电感极低l特别别是用于100kHz以上开关频频率、输输出电电 压压比较较高，如24V以上的大功率开关电电源耦合与隔直l在开关电源、电子镇流器中，由于逆变器 是半桥电路结构，而变压器、荧光灯仅能 接受交流电，因此需要。