薄膜電容器代替鋁電解電容器

薄膜電容器代替鋁電解電容器技術淺析從1980年開始，使用金屬化膜以及膜上金屬分割技術的DC濾波電容得到了長足的發(fā)展。在過去多年的發(fā)展中，電容的體積和重量減小了3到4倍?，F(xiàn)在薄膜生產商開發(fā)出了更薄的膜，同時改進了金屬化的分割技術極大的幫助了這種電容的發(fā)展。用干式設計，使膜電容能夠比電解電容更加經濟地覆蓋600VDC到1200VDC之間的電壓范圍。根據(jù)應用，在電壓超過2000VDC時，填注菜籽油的電容被推薦使用。膜電容具有的許多優(yōu)勢，使膜電容替代電解電容成為了工業(yè)和機車功率變換市場的趨勢。這些優(yōu)勢包括了：a\承受高有效值電流的能力b\能承受1.5倍于額定電壓的過壓c\能承受反向電壓d\承受高峰值電流的能力e\沒有酸污染f\長壽命g\可長時間存儲但是，這種替代并非“微法對微法”的替代，而是功能上的替代。當然，盡管膜電容技術有了長足的進展，但不是所有的應用領域都能替代電解電容。為了幫助使用者理解，我們將介紹一些具體的例子，在這些例子里，顯示了膜電容的優(yōu)勢。金屬化技術原理在電介質膜上，鍍上很薄的金屬層，如果電介質出現(xiàn)短路，金屬鍍層會因此而揮發(fā)并將短路的地方隔離開來。這種現(xiàn)象稱為自愈效應。金屬化工藝首先，對聚合物膜（聚丙烯）進行處理，使金屬原子能夠附著在膜上。金屬在真空下蒸發(fā)（對鋁1200°C）濃縮到被處理過的膜表面（膜被冷卻到-25°C至-35°C）形成金屬層。生產設備的圖示生產設備的圖示EotbLGc:Frmuf■&口口kLsLiLmHiBportizsja生產設備的圖示EotbLGc:Frmuf■&口口kLsLiLmHiBportizsjaWide址口方pF”i~i口rhrollIII;Cruciblez'idioipJtiagahmirmim金屬化膜的自愈效應是提高電壓梯度的主要因素。即使聚合物膜的質量得到很大的改善，主要的發(fā)展還是在金屬化上。今天，對于干式技術，在脈沖應用中，電壓梯度能夠達到500V/um以上，在DC濾波的應用中，電壓梯度能夠達到250V/pm。由于電容是按照IEC61071標準進行的設計，電容能夠承受幾次達兩倍于額定電壓的浪涌電壓的沖擊而不會有明顯的壽命縮短現(xiàn)象。所以，用戶只需考慮應用中所需要的標稱電壓。電解電容技術電解電容使用氧化鋁的電介質屬性。鋁的電介質常數(shù)介于8到8.5之間，工作電壓梯度大約為0.07V/A。因此，對于900VDC，需要12000A或1.2pm的鋁的厚度。然而，這個厚度是不可能達到的，因為為了具有很好的能量密度，鋁箔表面必須有凹槽。顯然，在鋁箔凹槽與厚度之間有一個比率。鋁的厚度減少了鋁箔凹槽的容值系數(shù)。例如，與低電壓電容相比，500V的容值系數(shù)降為原來的一半。另外，與低電壓電解電容的電解液傳導率150Qcm相比，高電壓電解電容（500V）的電解液傳導率達到了5kQcm,它的有效值電流被限制在大約20mA每pF。由于上述原因，典型的電解電容的最大標稱電壓為500到600V。所以在要求更高電壓的情況下，使用者必須將多只電容串聯(lián)使用。同時，由于各電容的絕緣電阻不同，使用者必須在每個電容上連接電阻以平衡電壓。此外，如果超過額定電壓的反向電壓被加在電容上時，會引起電容內部化學反應的發(fā)生。如果這種電壓持續(xù)足夠長的時間，電容會發(fā)生爆炸，或者隨著電容內部壓力的釋放電解液會流出。為了避免這種危險，使用者必須給每個電容并聯(lián)一個二極管。最后，在特定應用中電容的抗浪涌能力也是考察電容的重要指標。實際上，對電解電容而言，允許承受的最大浪涌電壓是VnDC的1.15或1.2倍（更好的電解電容）。這種情況迫使使用者不得不考慮浪涌電壓而非標稱電壓。直流支撐濾波：高電流設計和容值設計a）使用電池供電的情況

應用為電車或電叉車在這種情況下，電容被用來退耦。膜電容特別適合這種應用。因為直流支撐電容的主要標準是有效值電流的承受能力。這意味著直流支撐電容能夠以有效值電流來設計。以電車為例:要求的數(shù)據(jù):工作電壓:120VDC允許的紋波電壓:4VRMS有效值電流:80ARMS@20kHz最小容值為在膜電容中，很容易找到接近的容值。與電解電容比較：以每“F20mA為例，為了承受80A有效值電流，最小容值為:b）電網(wǎng)供電的電機驅動直流母線電壓波形:容值的確定應從電網(wǎng)頻率比逆變器頻率低入手。I我們使用下述等式確定容值：Irms流過電容的有效值電流為（近似表示式），該電流沒有考慮逆變器側的電流Irms.—xCxSk^-xJ122kVT rectorPlaad"ripple2通過上述近似式，我們能看出通過電容的有效值電流由負載功率，Umax和Uripple決定。我們用一個具體的例子作解釋直流電壓1000V紋波電壓200VIrms: (P=1MW)=246S.Anrs直流電壓1000V紋波電壓200VIrms: (P=1MW)=246S.Anrs(P=500k^9=1234.Anns(P=100k後)=247AnnBid??h?aic? ihcc ibwhdortequancy(Hz)—P=1MW—P=MUkW—P=1OQkWDeMol?ags=109QVUripple=2DOV將低頻部分放大：也 Tit 網(wǎng)電解電容。也 Tit 網(wǎng)電解電容。情況一，功率1MW的情況：考慮到0.2Arms/pF,有效值電流為9468A時，需要的最小容值為123.4mF。對應圖中曲線的值，我們可以看到對頻率低于100Hz的整流器，使用膜電容，該容值同樣是需要的。因此，對于三相，六整流管的整流器，頻率為300Hz。我們可以看到對應1MW的曲線，需要18.5mF的容值。與電解電容相比，如使用膜電容方案，體積幾乎可以縮小4倍，同時有更高的可靠型。在更低功率的情況下，同樣能夠給出相同的結果，對于10kW的功率，雖然容值變得很小，但是膜電容仍然是最好的解決方案。-Mi—P=5kW—P=1kW1WDev&rtagB=loacy

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UTlpplB=20W上團 3iK> 1KI MTnequ^ncy(Hz}過壓設計:現(xiàn)在我們來看輕型牽引的應用，如：地鐵，輕軌，電車等。直流支撐電壓波形:由于電能由吊線提供給機車，在集電弓架與吊線間會出現(xiàn)接觸間斷的現(xiàn)象。在接觸斷開時，能量來自直流支撐電容，結果，電壓:降低。因此，只要接觸重新被建立，過壓 — ■V(t)=Unde- x(cos曲『十一sm抑)苴申 吩尿_R更糟的情況是AV=吊線電壓,因為過壓會達到額定電壓的幾乎2倍。膜電容可以承受這種過壓。與電解電容相比：電解電容可承受最大1.2倍的額定電壓：所以，電解電容可以承受的最低電壓為：2*1000V/1.2=1670V需要四支450V的電解電容串聯(lián)。考慮部分從網(wǎng)上得到的數(shù)據(jù)，10mF的電解電容，體積為26升，最大有效值電流為220Arms。而相同容值的膜電容，體積為25升，最大有效值電流可比500Arms還高。另外，由于過壓的出現(xiàn)，也出現(xiàn)了流過電容的峰值電流。因此，我們必須計算因過壓產生的能量這種能量的計算也被用于端間短路放電的過程。.這樣的放電會產生非常高的峰值電流與振鈴，這是電解電容不能承受的。電壓的額定對于要求高額定電壓的場合，膜電容的解決方案無疑很有優(yōu)勢。但如果要求高容值的場合，膜電容解決方案的競爭力就會減弱。的確，如果沒有過壓，有效值電流很低，同時需要大容值的場合，在900V以下的應用中，膜電容很難與電解電容競爭。壽命的計算:膜電容允許有很長的壽命期望，其壽命的長短由負載電壓條件（工作電壓）與熱點溫度決定。對于直流濾波電容，其壽命符合下面的曲線：Lllvtlmo vc.Uwll^iURilm4Bo?p4iodane|hngi我們可以從這些曲線中看出，在工作電壓為額定電壓并且熱點溫度為70°C的情況下，膜電容的設計壽命為100,000小時。壽命結束的標準為5％的電容容值的減少。然而，這是壽命結束的理論值，因為，在到達該點以后，電容仍然能夠使用。如果在應用中允許10%的容值減少，壽命將得到顯著的增加。熱點溫度由下述的表達式決定：◎a盂辰申『=爲■訟+廠EX冷+不匕X毎爲KRth覽中"?maxiK.t^at:鍛大熱點溫度tg3o：電介質損耗Rtht熱阻恥：串聯(lián)電阻直流濾波的金屬化膜電容-應用中新的創(chuàng)新與優(yōu)點隨著電力電子半導體技術的巨大進步，為了限制由于半導體變換電流產生的過壓，要求直流支撐電容的雜散電感能夠顯著地降低。膜電容技術提供了這種解決方案以應對這種要求。電容器廠家與它的客戶緊密合作，開發(fā)出能夠直接安裝到IGBT模塊的電容，使IGBT模塊與電容間的母線排不再需要。下面是這種設計的兩個例子：連接部分在上面的例子中，用電容自身的端頭直接安裝在IGBT模塊上。.這種設計也考慮了一種非常重要的客戶需求，要求設備不受環(huán)境的影響。的確，膜電容的壽命基于其實際的應用條件，在標稱的電氣及環(huán)境條件以下，膜電容的壽命可以超過100000小時。同時，為了達到電容的壽命期望，電容使用塑料殼或鋁殼并被聚氨基甲酸乙酯樹脂密封。使用這種樹脂不僅能夠保護電容不受環(huán)境的影響，同時也使電容符合機車NFF16-101和NFF16-102防火標準。另外，這種樹脂填充技術允許不同類型端頭的使用，例如，下圖所示的被絕緣片分開的長銅板端頭的情況。但如果電容頂部是金屬，這種類型的端頭不可能使用。低壽命期望的設計也可以提供，使用同樣的技術，但通過增加電壓梯度，同時也增加了電容的能量密度，即電容的體積也隨之縮小。我們已經掌握了電容的老化規(guī)律，同時，我們也有相應的軟件來響應客戶的任何需求。另一個重要的方面是通過內部安裝方式的改進，使得我們能夠提供具有很低雜散電感的電容。僅有一種非常特殊的技術能夠被