電動車逆變器大容量電容器：用3μm以下的薄膜做（上）
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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混合動力車（HEV）及電動汽車（EV）上采用輸出功率高達(dá)數(shù)十千瓦～一百數(shù)十千瓦的馬達(dá)。電壓也高達(dá)數(shù)百伏，所以需要能夠驅(qū)動它的逆變器。指月電機(jī)制作所于2010年開發(fā)出了在這種逆變器中不可缺少的、用于平滑電壓的薄膜電容器。容量從500μF到1300μF左右。額定電壓高達(dá)600V，與2007年開發(fā)的原產(chǎn)品相比，額定電流增至以往產(chǎn)品的4倍（表）。該產(chǎn)品已被日立汽車系統(tǒng)公司采用，現(xiàn)在提供給大型汽車廠商的混合動力車使用。
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通過薄膜電容器滿足大容量、高電壓需求
逆變器可將來自電池的直流電通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成變動較小的電壓，再通過名為絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的開關(guān)元件轉(zhuǎn)換成近似于交流電的矩形波（圖1）。開關(guān)頻率快至十?dāng)?shù)kHz～數(shù)十kHz，由此產(chǎn)生的浪涌電壓很大。這種浪涌電壓與開關(guān)元件的輸入電壓重疊，便會產(chǎn)生尖峰（變動）。為了減少這種尖峰，需要采用平滑電容器。
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| 圖1：為了保護(hù)開關(guān)元件，平滑電容器必不可少 變動較大的電壓施加到開關(guān)元件上之后，最壞的情況下，元件會損壞。通過平滑電容器吸收電壓變動，以便向元件供給穩(wěn)定的電力。 |
逆變器的電流高于100A，平滑電容器需要1000μF左右的大容量。而且，必須支持500V以上的高電壓。為了提高馬達(dá)及逆變器的效率，現(xiàn)在的混合動力車更傾向于提高電壓。例如“普銳斯”，將施加在馬達(dá)上的電壓從第2代車型的最大500V提高到了最大650V。
電解電容器需要大出一個數(shù)量級的容量
通常，大容量電容器采用鋁電解電容器。第一代普銳斯的平滑電容器就是如此。如果按平均1μF的制造成本來看，多數(shù)情況下鋁電解電容器要比薄膜電容器便宜。但是如果逆變器的電壓進(jìn)一步提高，則鋁電解電容器難以對應(yīng)。目前投入實用的1000μF左右鋁電解電容器的耐壓約為500V左右，因此必須使電壓比該數(shù)據(jù)更低。這樣要想在混合動力車上使用，就必須將兩個鋁電解電容器串聯(lián)起來。
另外，由于離子會發(fā)生運動，因此，鋁電解電容器的響應(yīng)性一般較低，要支持在數(shù)十kHz頻率下的接通或者斷開產(chǎn)生的電流會比較困難。要使其在高頻下支持100A以上的電流，或許必須準(zhǔn)備額定容量為10000μF左右、相差一個數(shù)量級的產(chǎn)品。如果響應(yīng)性較低，在電荷積聚完成之前就會開始放電，因而無法用盡容量。而且容量達(dá)到10000μF時，鋁電解電容器在成本方面的優(yōu)勢也會減弱。
于是，薄膜電容器便成了主流。這是因為薄膜可以采用耐壓及頻帶較高、等效串聯(lián)電阻（ESR）較低的聚丙烯（PPC）材料制作。
用于混合動力車及電動汽車的平滑電容器要滿足支持高電壓和高頻這兩個條件，就必須（1）實現(xiàn)小型化、（2）提高耐熱性、（3）提高安全性。
為了實現(xiàn)（1）提及的小型化，此次指月電機(jī)制作所將單位體積的容量密度比以往產(chǎn)品提高了15％左右。2007年的產(chǎn)品的薄膜厚度約為3μm，而此次薄膜的厚度則更?。▓D2）。由于是在電極之間夾持薄膜后制成電容器元件，因此薄膜越薄，電極間的距離就越短，從而可在減小體積的同時提高容量。
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| 圖2：厚度薄、耐壓高的聚丙烯薄膜 東麗以及王子特殊紙兩公司均有生產(chǎn)。 |
制造的流程如下。首先，在真空中向聚丙烯薄膜的一個面上蒸鍍鋅（Zn）及鋁（Al）之類的金屬，制成電極。將2枚這種薄膜重疊卷起來，便可制成在兩個電極間夾著作為介電體的薄膜的電容器。蒸鍍以將薄膜貼在金屬滾筒上、轉(zhuǎn)動該滾筒以揭取薄膜的方式進(jìn)行（圖3）。在貼于滾筒的薄膜上，在400℃的融點溫度下將鋅、在1200℃的融點溫度下將鋁熔化后進(jìn)行蒸鍍。滾筒預(yù)先冷卻至-20～＋25℃。（特約撰稿人：藤原 祐紀(jì)，指月電機(jī)制作所第一業(yè)務(wù)本部第2開發(fā)部部長）
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| 圖3：既快又薄且均勻地進(jìn)行蒸鍍 在薄膜上蒸鍍鋅及鋁的情形。實際上是在真空中進(jìn)行。高速旋轉(zhuǎn)滾筒，1小時即可制成30千米的蒸鍍薄膜。 |
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