作者：貿(mào)澤電子Rudy Ramos
電容器可用于提供重要的穿越（ride-through）（或保持）能量，或用于減小電源轉(zhuǎn)換電路中的紋波及噪聲。選擇正確類型的電容器可能會對系統(tǒng)的總體尺寸、成本和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本文將討論一些常見應(yīng)用中薄膜和電解電容器的優(yōu)勢。
薄膜和電解電容器：基本比較
薄膜電容器具有低的等效串聯(lián)電阻（ESR），因而具有良好的紋波電流處理能力以及高浪涌電壓額定值和自愈性能，是電動汽車、可再生能源、以及工業(yè)驅(qū)動器等重要應(yīng)用中許多功率調(diào)節(jié)任務(wù)的強(qiáng)有力競爭者。薄膜電容器特別適用于不需要保持（或穿越）的場合，例如在停電或線路頻率波動峰值之間，需要在高可靠性和低損耗前提下提供或吸收大的高頻紋波電流。
薄膜電容器也非常適合運(yùn)行在高直流總線電壓的應(yīng)用，以最大限度地減少電阻損耗。由于鋁電解電容器只能提供額定值高達(dá)約550V的電壓，因此工作在更高電壓下的應(yīng)用需要將多個器件串聯(lián)，之后有必要通過選擇具有匹配值的電容器來防止電壓不平衡，這種方法既昂貴又耗時；或者增加電壓平衡電阻器，這會增大額外的能量損失和BOM成本。
另一方面，當(dāng)純粹的能量儲存密度（焦耳/厘米3）是關(guān)注的主要參數(shù)時，鋁電解電容仍然是一個強(qiáng)有力的選擇對象。其中一個例子就是商用化的離線電源，它需要經(jīng)濟(jì)高效的大容量能量存儲以便在停電時保持直流輸出電壓，而無需備用電池。適當(dāng)降低額定值可以減少鋁電解電容的壽命和可靠性等問題。
然而，事實上鋁電解電容器只能承受20％左右的過電壓，如果再有更高的過壓，就會發(fā)生損壞，而薄膜電容器在短時間內(nèi)可承受高達(dá)約兩倍額定電壓的過壓。正如在實際應(yīng)用中通常遇到的情況那樣，自我修復(fù)能力可確保對偶然的過壓做出更安全的反應(yīng)。此外，薄膜電容器可以實現(xiàn)更容易的連接和安裝，并且由于是非極化產(chǎn)品，因此不會出現(xiàn)反向連接錯誤。它們通常封裝在絕緣的、在體積方面非常高效的長方形“盒子”外殼內(nèi)，可進(jìn)行螺絲端子、接線片、“fastons”快接或總線排（bus bars）等各種電氣連接。
表1比較了常用薄膜電容器類型的特性。聚酯類可在低電壓下使用，而聚丙烯由于其低損耗因數(shù)（DF）和單位厚度的高介電擊穿能力，因此通常在高應(yīng)力下表現(xiàn)出最低的損耗和最高的可靠性。DF相對比較穩(wěn)定，不隨溫度和頻率有很大變化。 分段高結(jié)晶金屬化聚丙烯也可采用，并且能提供與鋁電解電容相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?/span>
表1：常用薄膜電容器類型及其特性。
選擇合適的電容器
通過分析一些常見的電源轉(zhuǎn)換電路可以顯示選擇不同的電容器技術(shù)如何會深度影響系統(tǒng)的尺寸、重量和成本，同時取決于電容是否需要用于儲能或處理波紋噪聲。
例如，對于用作1kW離線轉(zhuǎn)換器的大容量電容，通過比較電解電容器和薄膜電容器可以清楚地說明這兩種類型電容器之間的特性差異。 如圖1所示，該轉(zhuǎn)換器具有功率因數(shù)校正前端，且具有400V的標(biāo)稱直流總線電壓（Vn）。
圖1：電容器用作停電穿越的能量存儲。
假設(shè)效率為90％，并且電壓降（Vd）為300V，低于該值，將會失去輸出調(diào)節(jié)功能。如果發(fā)生停電，當(dāng)總線電壓從400V降至300V時，大容量電容器C1提供能量以保持恒定的輸出功率。 我們可以計算在電壓降至300V以下之前要進(jìn)行20ms穿越所需的C1值：
Po.tη=12CVn2-Vd2 或者 C=2 x 1000 x 0.020.9 x (4002-3002)=634µF 在450V額定值下
TDK-EPCOS B43508系列的680μF 450V鋁電解電容器其尺寸為直徑35mm x 55mm，滿足總體積為53cm3（約3立方英寸）的要求。
相比之下，使用薄膜電容器解決方案會導(dǎo)致不切實際的大體積：可能需要并聯(lián)多達(dá)15個TDK-EPCOS B32678薄膜電容器，從而導(dǎo)致1500cm3（91立方英寸）的總體積。
如果僅需要電容器來控制電動汽車動力系統(tǒng)等直流線路上的紋波電壓，則在選擇電容器時將會呈現(xiàn)顯著不同。 總線電壓可能與以前一樣為400V，但由采用電池供電，因此不存在穿越需求。在下游轉(zhuǎn)換器以20kHz的開關(guān)頻率提取80Arms脈沖電流時，將紋波限制在4Vrms以內(nèi)是非�，F(xiàn)實的， 所需的電容是：
C=irmsVripple.2.π.f=804 x 2 x 3.14 x 20 x 1000=160µF at 450V額定電壓
TDK-EPCOS B43508系列的180μF450V電解電容在60°C時的紋波電流額定值約為3.5Arms，這其中包括了頻率校正。處理80A的電流需要并聯(lián)23個電容器，將導(dǎo)致不必要的4140μF大電容和約為1200cm3（73立方英寸）的總體積。這與電解電容紋波電流額定值的20mA /μF經(jīng)驗法則一致。
使用TDK-EPCOS B32678系列薄膜電容器，只用四個器件并聯(lián)就可以達(dá)到132Arms的紋波電流額定值，體積只有402cm3（24.5立方英寸）。此外，如果環(huán)境溫度可以保持在70°C以下，可以選擇尺寸更小的電容器。
還有其他一些原因使得薄膜電容器成為最佳選擇。多個電解電容器的并聯(lián)導(dǎo)致過大電容，可能出現(xiàn)控制浪涌電流中的能量等問題。此外，在電動汽車等輕載牽引應(yīng)用中直流連接瞬態(tài)過壓的情況很常見，薄膜電容器的表現(xiàn)更為穩(wěn)健。
類似的分析也適合于UPS系統(tǒng)、風(fēng)力或太陽能發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)、通用并網(wǎng)逆變器和焊機(jī)等應(yīng)用。
作為首選的薄膜電容器
薄膜或電解電容器的相對成本可以從大容量存儲或處理波紋能力角度進(jìn)行分析。如表2匯總的結(jié)果所示，2013年公布的數(shù)據(jù)1比較了由整流440VAC電源供電的直流總線典型成本：
表2：薄膜和電解電容器的成本比較。
考慮到上述分析，薄膜電容器是去耦、開關(guān)緩沖和EMI抑制或逆變器輸出等濾波應(yīng)用的絕佳選擇。
配置在逆變器或轉(zhuǎn)換器直流總線上的去耦電容器為高頻電流循環(huán)提供一個低電感路徑。 經(jīng)驗法則是每100A開關(guān)使用大約1μF電容，值得注意的是，與電容器的連接應(yīng)盡可能短以避免產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。在電流很大且頻率較高時，1000A/μs的變化幅度都是可能的，考慮到PCB走線可能具有約1nH / mm的電感，根據(jù)以下等式，每毫米可以產(chǎn)生1V的瞬態(tài)電壓：
Vtr=-Ldidt
在開關(guān)緩沖電路中，電容器與電阻/二極管組合串聯(lián)，并通過電源開關(guān)（通常為IGBT或MOSFET）連接，以控制dV/dt，如圖2所示。
圖2：IGBT或MOSFET的開關(guān)緩沖。
緩沖電容能夠減低振鈴，可控制EMI，還可以防止虛假開啟/關(guān)閉。緩沖電容的大小通常是要選擇大約是開關(guān)輸出電容和安裝電容總和的兩倍，電阻值的選擇以能夠阻止所有振鈴為標(biāo)準(zhǔn)。
EMI抑制
如圖3所示，薄膜電容器利用其自恢復(fù)和瞬態(tài)過壓能力，也可理想地用作X型和Y型電容器，分別降低差分模式和共模噪聲。安全級別的X1（4kV）或X2（2.5kV）電容器通過電源線連接，通常為聚丙烯類型，電容值通常為幾個μF，需要符合所適用的EMC標(biāo)準(zhǔn)。
具有低連接電感的Y型電容器處在輸入線對地連接的位置。在這里， Y1或Y2電容器的額定瞬態(tài)電壓分別為8kV和5kV，如圖所示處在輸入線對地連接。針對漏電流的考慮限制了可以施加的電容量，雖然薄膜電容器的低連接電感有助于保持較高的自共振，但應(yīng)保持外部接地系統(tǒng)較短。
圖3：用于EMI抑制的X型和Y型電容。
逆變器輸出濾波
非極化薄膜電容器與串聯(lián)電感通�？杉稍趩蝹�模塊內(nèi)，這樣可構(gòu)成低通濾波器，用于衰減驅(qū)動器和逆變器交流輸出中的高頻諧波（如圖4）。這些越來越多地用于滿足系統(tǒng)EMC要求，并減小電纜和電機(jī)上與dV/dt相關(guān)的應(yīng)力，特別是在負(fù)載遠(yuǎn)離驅(qū)動單元時的情況。
圖4：電機(jī)驅(qū)動EMC濾波中的薄膜電容器。
結(jié)論
對于電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，通過了解電解電容器和薄膜電容器的相對優(yōu)勢，能夠幫助設(shè)計人員為實現(xiàn)最佳的整體尺寸、重量和BOM成本做出正確選擇�？梢院唵慰偨Y(jié)如下：
電解電容器：
- 具有更高的儲能密度（焦耳/厘米3）
- 用于直流總線電壓的“直通”大容量電容時成本較低
- 在較高溫度下維持紋波電流額定值
薄膜電容器：
- 較低的ESR可實現(xiàn)出色的紋波處理
- 更高的浪涌電壓額定值
- 自我修復(fù)提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命
