作者：Jeff Shepard
直流 (DC) link 電容器是許多應(yīng)用的關(guān)鍵部件，包括用于電動(dòng)汽車 (EV) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三相逆變器、光伏和風(fēng)能逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車載充電器以及醫(yī)療或工業(yè)設(shè)備的電源。緊跟最新發(fā)展趨勢至關(guān)重要。如果應(yīng)用不當(dāng)，DC link 電容器可能成為降低能量密度和可靠性的“薄弱環(huán)節(jié)”。
與半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展不同，電容器技術(shù)進(jìn)步緩慢并且可能被忽視，這對設(shè)計(jì)者來組是什么好事。各種電容器技術(shù)的發(fā)展速度不同，如鋁電解質(zhì)電容器是一種更成熟但發(fā)展較慢的技術(shù)，而薄膜電容器和多層陶瓷電容器 (MLCC) 則發(fā)展較快，這種情況已造成了不少麻煩。與薄膜電容器和 MLCC 相比，鋁電解電容器通常能提供更大的單位體積電容和更高的能量密度；但權(quán)衡點(diǎn)不是固定的。
例如，當(dāng)用頻率更高的器件升級電源開關(guān)——如用 MOSFET 取代 IGBT，或用寬帶隙 (WBG) 電源開關(guān)取代硅器件時(shí)，就可能是時(shí)候重新考慮以前對 DC link 電容器所做的選擇了。每種 DC Link 電容器技術(shù)都有一套獨(dú)特的功能（圖 1）。
圖 1：DC-Link 電容器的比較結(jié)果顯示了主要技術(shù)的電壓與電容之間的關(guān)系。TDK 的 CeraLink 電容器是針對 DC-Link 應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的 MLCC。（圖片來源：TDK Corporation）
鋁電解質(zhì)電容器 (Lytics) 是最常見的 DC Link 電容器。這類電容器集高能量密度和低成本于一體。這類電容器經(jīng)常被用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源 (UPS) 以及各種消費(fèi)、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。然而，這種電容器使用壽命較短并在低頻下工作，使其無法滿足更高的應(yīng)用要求。
在諸如電動(dòng)車牽引驅(qū)動(dòng)等要求更高的應(yīng)用中，薄膜電容器經(jīng)常被用作 DC Link 元件。薄膜電容器具有更高的可靠性、高電流傳導(dǎo)能力、較低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，而且與鋁電解電容器相比可用于頻率更高的應(yīng)用。但是，與鋁電解電容器相同的是，薄膜電容器的工作溫度也相對較低，約為 105 ℃。
MLCC 提供了第三種可能性。這類電容器的額定均方根 (rms) 電流較高，可承受比其他電容器更高的溫度。缺點(diǎn)是能量密度給定時(shí)，可能需要相對較多的 MLCC，這使得實(shí)現(xiàn)一個(gè)能確保電流等量分布的電容器布局成為一種挑戰(zhàn)。此外，MLCC 可能存在可靠性問題；陶瓷介質(zhì)材料是剛性的，可能因機(jī)械或熱應(yīng)力發(fā)生破裂，造成端子間短路。
顯然，適用于所有 DC Link 應(yīng)用的“完美”電容器技術(shù)并不存在。要為一個(gè)特定的項(xiàng)目找到最佳的設(shè)計(jì)方案，需要了解最新的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品發(fā)展情況。因此，讓我們考慮幾種代表性器件的權(quán)衡和功能，包括 Cornell Dubilier Electronics 的鋁電解電容器、KEMET 的薄膜電容器和 TDK Corporation 的 MLCC。
用于高紋波設(shè)計(jì)的電解電容器
對于高紋波電流應(yīng)用，可以使用 Cornell Dubilier Electronics 的 381LR 系列電容器，其額定電壓為 200 至 450 Vdc，電容為 56 至 2,200 μF，相比標(biāo)準(zhǔn)的 105℃ 咬接式鋁電解電容器，紋波電流處理 能力至少高 25%（圖 2）。電解質(zhì)配方的最新進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)低 ESR 的關(guān)鍵，而低 ESR 可使電容器具有紋波電流能力。這意味著，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源 (UPS) 和其他高紋波電流應(yīng)用所需電容器數(shù)量會(huì)更少。
圖 2：381LR 鋁電解電容器的額定電壓為 200 至 450 VDC，額定電容為 56 至 2200 μF。（圖片來源：Jeff Shepard，基于 Cornell Dubilier Electronics 提供的原始材料）
用于汽車牽引驅(qū)動(dòng)的薄膜電容器
如果你正在設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境的系統(tǒng)，如汽車牽引驅(qū)動(dòng)，KEMET 的 DC-Link C4AK 薄膜電容器將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，其壽命在 125℃ 時(shí)為 4000 小時(shí)，在 135℃ 時(shí)為 1000 小時(shí)（圖 3）。這些器件專用于緊湊型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用外形扁平、適合 PC 板安裝的徑向盒形式，并能將較少的電容器并聯(lián)，以處理峰值和紋波電流。
圖 3：KEMET DC Link C4AK 薄膜電容器系列在 125℃ 時(shí)的壽命為 4000 小時(shí)，在 135℃ 時(shí)的壽命為 1000 小時(shí)。（圖片源：KEMET）
C4AK DC Link 電容器設(shè)計(jì)用于高頻、大電流電動(dòng)車系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器、光伏和燃料電池的逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、無線電力傳輸以及其他工業(yè)應(yīng)用。
用于快速 WBG 半導(dǎo)體的 MLCC
當(dāng)使用 WBG 時(shí)，TDK 的 CeraLink FA（柔性組件）系列可以提供一個(gè)合適的解決方案。該系列的電容范圍為 0.25μF 到 10μF，額定電壓為 500 到 900 VDC。例如，B58035U9255M001 的額定電容為 2.5 μF，額定電壓為 900 V（圖 4）。CeraLink 系列的各種器件經(jīng)過優(yōu)化后，可用作 DC Link 電容器，其特點(diǎn)包括：
· 每立方厘米 (cm3) 的電容密度為 2 至 5μF
· 2.5 至 4 nH 低自感
· 能夠安裝在非�？拷雽�(dǎo)體功率器件的位置，并能在有限的時(shí)間內(nèi)在高達(dá) 150°C 的溫度下工作
· 無電壓壓擺率 (dV/dt) 限制
圖 4：B58035U9255M001 是 TDK CeraLink FA 系列的一部分。該系列是 2.5μF、900 V 疊接 MLCC。（圖片來源：TDK Corporation）
FA 系列電容器寬 9.1 mm，高 7.4 mm，長度 6.3 mm、9.3 mm 和 30.3 mm。該系列的紋波電流能力高達(dá) 47 Arms。
結(jié)語
指定 DC Link 電容器是設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要零件。如圖所示，我們有很多、可變的、可能的選擇。如果選擇不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換器無法達(dá)到預(yù)期或者成本過高。為了避免做出錯(cuò)誤的選擇，你需要及時(shí)了解 DC Link 電容器技術(shù)和產(chǎn)品的最新發(fā)展。 |
