薄膜電容替代電解電容在DC-Link電容中的運(yùn)用分析

2.運(yùn)用分析

DC-Link電容作為濾波器要求大電流和大容量設(shè)計(jì)。如圖3提到的新能源汽車主電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是一個(gè)例子。在該運(yùn)用中電容起到退耦作用，電路特點(diǎn)工作電流大。薄膜DC-Link電容具有較大優(yōu)勢，能承受較大的工作電流(Irms)。以50~60kW新能源汽車參數(shù)為例，參數(shù)如下：工作電壓330Vdc,紋波電壓10Vrms,紋波電流150Arms@10KHz.

那么最小電容量計(jì)算為：

這樣對(duì)于薄膜電容設(shè)計(jì)很容易實(shí)現(xiàn)。假設(shè)采用電解電容，如果考慮20mA/μF,那么為了滿足上述參數(shù)， 計(jì)算電解電容最小的容值為：

這樣需要多個(gè)電解電容并聯(lián)獲得該容值。

在過電壓運(yùn)用場合，如輕軌、電動(dòng)巴士、地鐵等，考慮這些動(dòng)力通過受電弓連接到機(jī)車集電弓，在運(yùn)輸行進(jìn)過程中受電弓與集電弓的接觸是間續(xù)的。當(dāng)兩者不接觸時(shí)通過DC-Link電容進(jìn)行支撐供電，當(dāng)兩者接觸恢復(fù)時(shí)過電壓就會(huì)產(chǎn)生。最壞的情況是斷開時(shí)由DC-Link電容完全放電，此時(shí)放電電壓等于受電弓電壓，當(dāng)恢復(fù)接觸時(shí)，其產(chǎn)生的過電壓幾乎就是額定工作時(shí)的2倍Un.對(duì)于薄膜電容DC-Link電容可以處理不需額外考慮。如果采用電解電容，過電壓為1.2Un .以上海地鐵為例，Un=1500Vdc,對(duì)于電解電容要考慮電壓為：那么要用6個(gè)450V的電容進(jìn)行串聯(lián)連接。若采用薄膜電容設(shè)計(jì)在600Vdc到2000Vdc,甚至3000Vdc都容易實(shí)現(xiàn)。此外，在電容完全放電情況下能量在兩電極間形成短路放電，產(chǎn)生很大沖擊電流通過DC-Link電容，通常電解電容很難滿足要求。

另外，相對(duì)于電解電容DC-Link薄膜電容器通過設(shè)計(jì)可以達(dá)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)。這樣在運(yùn)用時(shí)DC-Link薄膜電容器可直接安裝到IGBT模塊，可以把母線整合到DC-Link薄膜電容器中，因此采用薄膜電容器則不再需要專門的IGBT吸收電容，為設(shè)計(jì)者節(jié)約了一筆不小的費(fèi)用。表2和表3為Faratronic C3A和C3B部分產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)。

3.結(jié)論

作為直流支撐濾波用電容，DC-Link電容早期考慮到成本及尺寸因素大部分選擇電解電容。然而電解電容受到耐壓、電流承受能力(相對(duì)薄膜電容ESR高很多)等因素的影響，為了獲得大容量和滿足高壓使用要求，則必須要用多個(gè)電解電容進(jìn)行串、并聯(lián)。另外考慮到電解液材料的揮發(fā)，所以要定期進(jìn)行更換，新能源運(yùn)用一般要求產(chǎn)品壽命要達(dá)15年，那么在這段時(shí)間內(nèi)必須更換兩到三次，因而在整機(jī)售后服務(wù)方面存在不小的費(fèi)用和不方便性。隨著金屬化鍍膜技術(shù)及薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展，采用安全膜蒸鍍技術(shù)已經(jīng)可以用超薄OPP膜(最薄2.7μm,甚至2.4μm)生產(chǎn)出電壓450V到1200V甚至更高電壓的大容量直流濾波電容。另一方面通過DC-Link電容與母排整合，使得逆變器模塊設(shè)計(jì)更加緊湊，大大降低了電路的雜散電感使電路更加優(yōu)化。

以此同時(shí)，薄膜電容制作成本在不斷下降，相比電解電容更凸顯其經(jīng)濟(jì)性，在要求工作電壓高、承受高紋波電流(Irms)、有過電壓要求、有電壓反向現(xiàn)象、處理高沖擊電流(dV/dt)以及長壽命要求的電路設(shè)計(jì)中，選擇DC-Link薄膜電容替代電解電容將成為設(shè)計(jì)者今后設(shè)計(jì)選擇的一種趨勢。