电源相关应用中的电容器该如何选择？

[导读]虽然电容器版本没有太大变化，但现在有许多新的电源应用，例如替代能源、电动汽车 (EV)、储能等。本文将比较各种技术并考虑一些使用示例。

虽然电容器版本没有太大变化，但现在有许多新的电源应用，例如替代能源、电动汽车 (EV)、储能等。本文将比较各种技术并考虑一些使用示例。

铝电解有他们的一天吗?

成本是许多现代系统的主要驱动因素，铝电解电容器的成本继续低于等效薄膜电容器，使其在大容量储能应用中很受欢迎。可以通过针对预期应用对它们进行适当降级来消除它们具有较低寿命和可靠性的概念。此外，一般来说，它们仍然能够提供比薄膜类型更好的单位体积能量存储——除了分段高结晶金属化聚丙烯等专业类型之外。铝电解在许多应用中发现的高温下表现更好，特别是在纹波电流额定值等参数方面。

薄膜电容哪里好?

薄膜可以提供低得多的 ESR 额定值，显着提高纹波电流性能，并且可以提供更好的浪涌额定值。由于它们的结构，它们还提供更好的可靠性，因为它们可以在压力后“自我修复”，具体取决于压力重复的数量和频率。在电动汽车中，没有“保持”要求，因此薄膜电容器在这里是理想的，而且随着电池组的增加和总线电压的升高，薄膜电容器的额定电压是一个好处。在这里使用铝电解电容器需要复杂(且昂贵)的串联电压平衡电阻器，以克服其 550V 左右的额定电压。

哪个更好?

在理想条件下，可靠性差异并不大，虽然薄膜电容器可以承受 100% 的过压，但电解液经常会在超过 20% 的过压下损坏。在正常操作中，偶尔会出现压力，而自修复薄膜类型可以更好地应对这种情况，尤其是因为电解液可能会短路和严重失效，从而导致整组组件失效。

实际上，薄膜更易于使用——它不是极化的，因此不会错装——并且连接的形式因素和范围使安装更容易。

薄膜电容器类型

在“薄膜”的通用标题中，有许多具有不同性能的不同电介质。

如果压力下的损耗和可靠性是主要考虑因素，那么聚丙烯 (PP) 是最佳选择，因为它具有低损耗因子 (DF) 和高介电强度。低 DF 表示较低的损耗和较低的发热。然而，其他类型在给定尺寸下存储更多电荷或在高温下更好，聚酯 (PET) 仍然是低压应用的最佳选择。

PP电容的结构

使用金属箔和沉积金属化的薄膜电容器结构主要有两种类型。。

对于高峰值电流，在介电层之间插入 5 微米金属箔，但这不具有自愈特性。

或者，可以使用真空形成的金属化膜。铝金属化是在高温下沉积的，尽管锌或铝锌合金是替代品。如果发生击穿，局部加热(高达 6000 o C)会形成等离子体，从而停止放电并修复缺陷。随着时间的推移，电容会因为这个过程而减少，从而可以确定电容器的老化情况——并在需要时进行更换。

可以通过将胶片分成数百万个区域来解决严重过载问题，每个区域的电流都充当保险丝。额外的安全裕度允许更高的电压额定值，但确实会降低峰值电流处理。

帕申曲线

由于材料的介电强度为 650V/μm，PP 电容器具有数千伏的击穿电压。然而，在这些高电压下，局部放电 (PD) 或电晕是可能的。材料中的微孔或气隙分解，留下微量的碳。最初，这几乎没有影响，但随着时间的推移可能会导致突然和完全崩溃。

有几种方法可以解决 PD。一种是用油填充高压电容器，从而去除气孔。或者，电容器可以在外壳内分段，以减少低于起始电压的电压应力。减小电介质厚度是另一种通过减小电压梯度起作用的方法。

结合箔和金属化的“混合”方法可以在提高峰值电流能力和自愈能力之间取得平衡。

薄膜电容器应用

一个应用示例是具有 90% 效率和功率因数校正 (PFC) 前端的 1kW 离线电源。考虑到电源波动，需要 20ms 的穿越(保持)来阻止总线电压降至 300V 的压降电压以下，之后输出会受到影响。

存储在 C1 中的能量在保持时间内保持输出，必要的电容器大小由下式计算：

在一个实际的例子中，使用铝电解，这将是大约 52cm 3 (3 立方英寸)，例如TDK-EPCOS B43508系列。薄膜电容器需要并联大约 15 个 TDK-EPCOS EPCOS B32678。对于 1500 cm 3 (91 立方英寸)的尺寸，这不是一个可行的解决方案。

如果这是一辆电动汽车，那么总线电压将来自电池，而电容器将仅管理纹波而无需保持要求。通常，这可能是来自以 20 kHz 运行的 80 A rms 转换器的 4 V rms。电容变为：

然而，一个 EPCOS TDK-EPCOS B43508系列 180 μF 450 V 电解液在 60 o C时的额定纹波电流仅为 3.5 A rms 。因此，需要并联 23 个电容，导致电容为 4140 μF，而体积为 1200 cm 3 ( 73 立方英寸)。有趣的是，这验证了电解液的 20 mA/μF“经验法则”纹波电流额定值。

一个薄膜选项是EPCOS B32678，其中四个并联将在 402cm 3 (24.5 立方英寸)范围内给出 132 A rms 的额定值——如果工作温度较低，这可以进一步降低。薄膜还具有更好地应对瞬态过电压的优势。

如果设计人员坚持使用电解，则必须管理与巨大电容相关的浪涌电流。

这个例子经常出现在 UPS 系统、风能和太阳能、焊接和并网逆变器中。

其他应用：去耦和缓冲

许多电源应用，包括逆变器，都需要缓冲或去耦。通常，如果有足够的空间，则首选薄膜/箔，因为金属化设备需要特殊的设计和制造。

在去耦应用中，电容器放置在直流电轨上，允许高频电流通过。该电容器的额定值通常为每 100A 开关电流 1μF。

如果没有安装去耦电容器，电流会通过更高电感的回路循环，从而产生瞬态电压，即使是几 nH 的电感也会产生很大的电压，di/dt 值通常为 1000 A/μs。PCB 走线通常会引入 1nH/mm 的寄生电感，这意味着短走线是必不可少的。

为了抑制 IGBT 或 MOSFET 上的 dV/dt，需要在电容器中添加一个电阻器/二极管网络。

缓冲通过减慢振铃来控制 EMI。由于高水平的 dV/dt，它还可以阻止杂散开关，尤其是 IGBT。电容器的值可以通过将开关输出电容和安装电容之和加倍来确定。选择电阻值以实现任何振铃的临界阻尼。其他最佳方法是可用的，例如 McMurray [4] 中的方法。

在电源应用中过滤 EMI

由于具有自我修复和承受瞬变的能力，安全等级的 PP 电容器通常用于在线到中性线的电源应用中，以衰减差模 EMI。这些电容器需要承受 4 kV 或 2.5 kV 瞬态电压，额定值为X1 或 X2。各种 EMC 标准需要微法拉值才能达到标准合规性。

在线对地应用中，使用具有 8 kV 和 5 kV( Y1 和 Y2)瞬态额定值的 Y 型电容器可以降低共模噪声。由于薄膜电容器的低连接电感，自谐振仍然很高，前提是与地/地的连接保持较短。