薄膜电容替代电解电容在DC-Link电容中的运用分析

为新能源(含风力发电和光伏发电)以及新能源汽车电机驱动系统中DC-Link电容器的运用示意图图1、2.

图1为风力发电变流器电路拓扑图，其中C1为DC-Link(一般整合到模块上)，C2为IGBT吸收，C3为LC滤波(网侧)，C4转子侧DV/DT滤波。图2为光伏发电变流器电路拓扑图，其中C1为DC滤波，C2为EMI滤波，C4为DC-Link,C6为LC滤波(网侧)，C3为DC滤波，C5为IPM/IGBT吸收。图3为新能源汽车系统中主电机驱动系统，其中C3为DCLink,C4为IGBT吸收电容。

在上述提到的新能源领域运用中，DCLink电容作为一个关键器件，不管是在风力发电系统、光伏发电系统还是在新能源汽车系统中都要求高可靠性及长寿命，其选型显得尤为重要。下面介绍薄膜电容与电解电容的特性对比及在DC-Link电容运用中两者的分析对比：

1.特性对比

1.1 薄膜电容

首先介绍薄膜金属化的原理，薄膜金属化技术的原理：在薄膜介质表面蒸镀上足够薄的金属层，在介质存在缺陷的情况下，该镀层能够蒸发并因此隔离该缺陷点起到保护作用，这种现象被称作自愈。图4为金属化镀膜的原理图，蒸镀前薄膜介质先进行前期处理(电晕或其他方式)以便金属分子能够附着在上面。金属通过在真空状态下高温溶化蒸发(铝的蒸发温度1400摄氏度~1600摄氏度，锌的蒸发温度400摄氏度~600摄氏度)，当金属蒸气遇被冷却的薄膜后凝结在薄膜表面(薄膜冷却温度-25摄氏度~-35摄氏度)，从而形成金属镀层。金属化技术的发展提高了单位厚度的薄膜介质的介电强度，干式技术脉冲或放电运用电容设计可以达到500V/μm,直流滤波运用电容设计可以达到250V/μm.DC-Link电容属于后者，根据IEC61071对于电力电子运用电容的要求可以承受较为苛刻的电压冲击，可以达到2倍的额定电压。因此使用者只需考虑其设计所需的额定工作电压就可以了。金属化薄膜电容器具有较低的ESR,使其能承受较大的纹波电流;较低的ESL满足逆变器的低电感设计要求，减少了开关频率下的震荡效应。

薄膜介质的质量、金属化镀层质量、电容器设计及制造过程工艺决定了金属化电容器自愈特性的好坏。Faratronic生产的DC-Link电容用的薄膜介质主要为OPP薄膜。

1.2 电解电容

电解电容使用的介质为铝经过腐蚀形成的氧化铝，介电常数为8~8.5,工作的介电强度约为0.07V/A(1μm=10000A)，按照计算对于900Vdc的电解电容需要的厚度为12000A.然而要达到这样的厚度是不可能的，因为为了获得好的储能特性所用铝箔要进行腐蚀形成氧化铝膜，表面会形成许多凹凸不平的曲面，铝层厚度会降低电解电容的容量系数(比容)。另一方面，低电压的电解液电阻率为150Ωcm,高电压(500V)的电解液的电阻率则达到5kΩcm.

电解液较高的电阻率限制了电解电容所能承受的有效值电流，一般为20mA/μF.

基于上述原因电解电容的设计最高电压典型值为450V(有个别厂家设计600V)。

因此，为了获得更高的电压必须用电容器串联实现，然而因各个电解电容的绝缘电阻存在差异，为了平衡各串联电容的电压，各电容必须连接一个电阻。此外，电解电容为有极性器件，当施加反向电压超过1.5倍Un时，会发生电化学反应。当施加的反向电压时间足够长，电容将发生爆炸，或冒顶电解液将外溢。为了避免该现象发生，使用的时候要在每个电容旁并上一个二极管。除此之外，电解电容的耐电压冲击特性，一般为1.15倍Un,好的可以达到1.2倍Un.这样设计师在使用时就不但要考虑稳态工作电压大小，而且还要考虑其冲击电压大小。

综上所述，可以得出薄膜电容与电解电容如下特性对比表，见表1.

DC-Link电容作为滤波器要求大电流和大容量设计。如图3提到的新能源汽车主电机驱动系统就是一个例子。在该运用中电容起到退耦作用，电路特点工作电流大。薄膜DC-Link电容具有较大优势，能承受较大的工作电流(Irms)。以50~60kW新能源汽车参数为例，参数如下：工作电压330Vdc,纹波电压10Vrms,纹波电流150Arms@10KHz.

那么最小电容量计算为：

这样对于薄膜电容设计很容易实现。假设采用电解电容，如果考虑20mA/μF,那么为了满足上述参数， 计算电解电容最小的容值为：

这样需要多个电解电容并联获得该容值。

在过电压运用场合，如轻轨、电动巴士、地铁等，考虑这些动力通过受电弓连接到机车集电弓，在运输行进过程中受电弓与集电弓的接触是间续的。当两者不接触时通过DC-Link电容进行支撑供电，当两者接触恢复时过电压就会产生。最坏的情况是断开时由DC-Link电容完全放电，此时放电电压等于受电弓电压，当恢复接触时，其产生的过电压几乎就是额定工作时的2倍Un.对于薄膜电容DC-Link电容可以处理不需额外考虑。如果采用电解电容，过电压为1.2Un .以上海地铁为例，Un=1500Vdc,对于电解电容要考虑电压为：那么要用6个450V的电容进行串联连接。若采用薄膜电容设计在600Vdc到2000Vdc,甚至3000Vdc都容易实现。此外，在电容完全放电情况下能量在两电极间形成短路放电，产生很大冲击电流通过DC-Link电容，通常电解电容很难满足要求。

另外，相对于电解电容DC-Link薄膜电容器通过设计可以达到很低的ESR(通常低于10mΩ，更低的<1mΩ)和自感LS(通常低于100nH,有的可以低于10或20nH)。这样在运用时DC-Link薄膜电容器可直接安装到IGBT模块，可以把母线整合到DC-Link薄膜电容器中，因此采用薄膜电容器则不再需要专门的IGBT吸收电容，为设计者节约了一笔不小的费用。表2和表3为Faratronic C3A和C3B部分产品的技术参数。

3.结论

作为直流支撑滤波用电容，DC-Link电容早期考虑到成本及尺寸因素大部分选择电解电容。然而电解电容受到耐压、电流承受能力(相对薄膜电容ESR高很多)等因素的影响，为了获得大容量和满足高压使用要求，则必须要用多个电解电容进行串、并联。另外考虑到电解液材料的挥发，所以要定期进行更换，新能源运用一般要求产品寿命要达15年，那么在这段时间内必须更换两到三次，因而在整机售后服务方面存在不小的费用和不方便性。随着金属化镀膜技术及薄膜电容器技术的发展，采用安全膜蒸镀技术已经可以用超薄OPP膜(最薄2.7μm,甚至2.4μm)生产出电压450V到1200V甚至更高电压的大容量直流滤波电容。另一方面通过DC-Link电容与母排整合，使得逆变器模块设计更加紧凑，大大降低了电路的杂散电感使电路更加优化。

以此同时，薄膜电容制作成本在不断下降，相比电解电容更凸显其经济性，在要求工作电压高、承受高纹波电流(Irms)、有过电压要求、有电压反向现象、处理高冲击电流(dV/dt)以及长寿命要求的电路设计中，选择DC-Link薄膜电容替代电解电容将成为设计者今后设计选择的一种趋势。