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薄膜电容器:在电力应用中的特性和用途

文章作者:Rudy Ramos

了解在电力电子应用中可能考虑使用的不同类型的电容器。

设计电力电子设备的工程师发现几种功能需要电容器，从储能到过滤器和去耦。不同的电容类型可用，首先可能在电容和电压的标题额定值中看起来相当，但不会同样执行。选择不正确的选择可能导致昂贵的“过度设计的”解决方案，并且在最坏的情况下，不可靠或不安全的产品。

这篇文章描述了不同类型的电容器，可能被考虑用于电力电子应用。特别是，电解和薄膜类型的比较显示了如何和何时各自发挥作用。薄膜类型的多样性和他们的结构描述更详细和首选类型确定。详细审查了电容、纹波电流额定值、瞬态电压抗扰度、安全额定值以及其他特性的规范。讨论了电压应力后的“自愈”现象，解释了其物理机理及其在典型电路中所赋值。指出了薄膜电容器在电力电子中的主要应用，并对如何选择合适的薄膜电容器类型给出了指导。然后给出一些例子电路的详细计算，说明如何选择特定的电容器及其额定值。计算是一般化的，使工程师能够使用它们作为设计的基础。万博投注网址

很难想象任何现代电子产品不包括某种类型的电容器。例如，它们可能是一种小型的表面贴装类型的手机，但它们仍然存在。在电力电子学中，其功能是滤波、能量处理和传输，相比之下，电容的体积可以用立方英寸来测量。在这种应用中，有时在铝(Al)电解和薄膜类型之间似乎有一个选择，但在存储能量密度方面，铝电解在某些方面领先。唯一可以与之媲美的薄膜类型是奇异而昂贵的，例如“分段高结晶金属化丙烯”，即使这样，在高温下也不能很好地维持其纹波电流等级。铝电解学在寿命和可靠性方面有一个相对较差的名声，但这只有在他们努力工作时才适用。随着电压、纹波电流和温度的适当降额，它们可以持续很多年。对于给定的容量-电压(CV)额定值来说，它们的低成本当然是一个重要的因素。这意味着它们是大容量储能应用的实际解决方案，如在商品交直流电源的内部高压直流母线上。

薄膜电容器在电力电子中占有一席之地
薄膜电容器类型肯定会在其Al-电解表兄弟中具有一些优点;它们可以具有更低的等效串联电阻（ESR）对于相同的CV额定值，这使它们通常更好地更好的纹波电流额定值。它们也相对更容忍电压过压，显着，在某些情况下可以在一定程度的击穿后的“自我愈合”中，提高系统可靠性和寿命。当局部化击穿确实发生时，在胶片电容器的主体中形成短路，但是发生等离子体弧，其作用清除短。这仅在压力范围内工作;由于碳沉积和介电绝缘损伤，灾难性的故障仍然可以发生。在实践中，Al-Intellytics只能耐受20％的电压过度电压，而薄膜类型的图可以为100％，有限的时间。失败模式的差异也很重要;Al-Electrolytics经常在过度光滑后进行短暂的爆炸性结果，导致液体电解质排出并损坏其他组分。

确实，Al-电解和薄膜类型的理论失效率可以与正确的降额相当，但在具有偶尔电压应力的现实寿命应用中，例如，电感负载或雷击，系统可靠性可以完全不同两种技术。由于湿度导致的劣化是薄膜电容器的问题，但这与其他组件共同，所以应该控制最佳可靠性。

当能量存储不是标题参数时，大的值薄膜电容可以是高性能的解决方案。一个例子将在电池支持的直流总线上，例如在电动车辆，替代能源系统和不间断电源中看到。在这些应用中，电容器的主要功能是源和吸收高频纹波电流，可以在数百或数千个放大器中测量，其中低电容器ESR对实现低损耗和低纹波电压至关重要。

移动到更高的总线电压也有利于薄膜电容器类型;在高电压下储存相同的能量，具有较小的CV额定值（由于E = CV中的“平方”²/2)因此需要更少的容量，并可根据需要提供kV等级的薄膜类型。铝电解被其技术限制在大约550V，尽管他们可以堆叠更高的电压，他们固有的高和可变的泄漏电流需要并联平衡电阻及其相关的成本和损失。讨论了铝电解材料的短路失效模式;当串联时，其中一个以这种方式失败，就会在其他几个上施加高电压，造成相应的雪崩式破坏。

薄膜电容器和铝电解电容器的实际区别在于它们的安装选择。薄膜可采用体积效率高的矩形盒格式，可选择线材、螺钉、凸耳、推接连接器，甚至汇流排端子。对于铝电解，圆形金属罐是唯一的标准选择，尽管有类似的范围的终端可用。不像铝电解，薄膜类型是非极性的，他们可以愉快地运行与任何极性的电压应用，使他们反防。这也意味着他们是理想的应用在交流电压应用，如在逆变器输出滤波。

我们已经讨论了一般的“薄膜”电容器，但有许多不同的性能和应用的子类型。图1^[1]给出了某种类型的摘要，这些类型可能用于电力电子设备，其主要特征。

图1薄膜电容器特性

在性能数据中，聚丙烯是电力应用的良好竞争者，其宽电压和电容范围和良好的自我愈合性能。在所有频率下耗散因子（DF）的特别低的数字也很重要;DF是ESR与电容电抗ZC = 1 /2πFC的比率。与其他电介质相比，低图形意味着更低的加热效果，并且是比较电容器类型的容量的每微小容量的损耗的方式。通常，DF随温度和频率变化几点，但聚丙烯在比较中表现最佳，参见图2.对于情节。