DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用研究

DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用研究

姚金平

深圳市中测计量检测技术有限公司      广东省深圳市    518000

摘要：为解决逆变器端较大电压动摇问题，避免逆变器受到DC-Link端的电压过冲与瞬时过电压相关影响，本文对DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用进行研究，分析电解电容存在的不足之处，即存储有漏电流增大和容量降低问题。然后，以此为基础结合实例提出薄膜电容替代电解电容的具体方法，总结问题解决路径，为相关课题研究或工程技术提供参考。

关键词：点解电容；DC-Link电容；薄膜电容

1.基于电容特性分析电解电容的不足与薄膜电容的优势

1.1 电解电容与薄膜电容特性参数的对比分析

从特性参数入手对电解电容与薄膜电容展开对比分析，具体如下所示：

电解电容的电容量范围较大，为或F级；介质为氧化铝；介电系数为8～8.5；介质状态为液体；最高工作电压一般为450V；耐过电压能力为（1.15～1.2）；有极性；持续耐电流能力为20mA/；电压爬升速率低；寿命一般为（3～5）年；有存储问题，长期储存容易出容量下降或漏电流增大问题。

薄膜电容电容量范围较小，为级；介质为金属化薄膜；介电系数为

2.2±0.2；介质状态为固态；最高工作电压一般为几千伏；耐过电压能力为2；无极性；持续耐电流能力为200mA/～1A/；电压爬升速率高；寿命一般为（8～10）万小时以上；无存储问题，性能长时间稳定

对比分析能够了解到的是，相比于电解电容而言，薄膜电容的性能更为理想，有着更高的应用优势。

1.2电解电容的不足

在电容使用过程中，储能特性至关重要，但是在介质为氧化铝，介电常数和工作介电强度分别为8～8.5、0.07V/A（1=10000A）的情况下，对于900Vdc的电解电容而言，难以达到12000A的数值。为保证储能特性的实现，往往会选用腐蚀铝箔使其在其表面形成氧化铝膜，但这会降低其比容[1]。同时，高低电压的电解液电阻率差值过大，电解电容承受有效值电流受到电解液较高的电阻率的限制，在上述因素的共同制约下，450V是电解电容常用的设计最高电压值，为得到更高电压时，需要在平衡电压的前提下串联电容器，同时连接电阻。而且，为避免电化学反应、电容爆炸、电解液外溢等问题的发生，需要并联二极管，由此可见，电解电容应用状态的保持需要对多个因素加以考量，且无法完全消灭安全隐患。

1.3薄膜电容的优势

相较于电解电容的氧化铝膜，薄膜电容以蒸镀的方式在介质表面形成超薄金属层，即便介质存在缺陷，这一镀层也能够保护电容。通过这一技术措施，能够加大薄膜介质介电强度，而且，还可以根据电容运用要求承受较高的电压冲击，其承受值最高可达到额定电压的2倍，整体运作安全状态得到有效保障。此外，运用薄膜电容时，仅需考虑额定工作电压即可，无需并联、串联更多装置，其较低的ESL有效减少震荡效应，满足较大纹波电流使用需求[2]。

2.结合实例研究DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容的运用方法

为增强薄膜电容运用研究结果的真实可靠性，故引入新能源汽车作为分析案例，通过具体参数分析、数值计算总结薄膜电容替代运用方法，以此改善电容器的不足之处，满足实际运用需求。

2.1案例简述

在DC-Link电容的框架下，其作为滤波器使用时对电流与容量设计具有较高要求。故本文以新能源汽车为例，围绕其主电机驱动系统分析薄膜电容替代电解电容的技术要点，在替代运用过程中，电容发挥的主要作用为退耦作用，工作电流大，根据薄膜DC-Link电容优势特点，设计运用较大工作电流。该新能源汽车规格在（50～60）kW之间，纹波电压与纹波电流分别为10Vrms和150Arms 10KHz，工作电压为330Vdc。

2.2运用分析

2.2.1计算最小电容量

为满足该规格新能源汽车的运行需求，应规范落实最小电容量计算工作，计算公式为：

               （1）                                   

式中，

——最小电容值；

——电感应用的额定电流，即温升电流；

——波纹电压；

——电容充电的频率大小。

将上述参数代入公式（1），可得到最小电容量，即239μF。这一数值，更容易在薄膜电容设计中实现，但若是仍选用电解电容，则需要对加以考虑，在上述参数条件的基础上，所得到的最小容值为7500μF，单个电解电容的使用无法达到这一要求，往往需要多个电解电容的投入使用实现，而这不仅加大了新能源汽车主电机驱动系统的整体成本，也提高了其空间占用率，不满足新能源汽车的设计使用需求。因此，这一环节进一步印证了替代使用薄膜电容的必要性，实际设计期间应按照现有标准，结合具体运用参数规范计算最小容值并设计，以此保证DC-Link薄膜电容的使用效益。

2.2.2运用场合分析

在目前常见的过电压运用场合中，比如地铁、城市轻轨等，均需要对动力通过受电弓连接到机车集电弓这一过程加以考虑，明确认识到这些动力在运输行进过程中，机电工与受电弓会发生接触，且这一接触处于间续状态。在其运行过程中，最为严重的故障问题是断开时，DC-Lin电容处于完全放电状态，这意味着放电电压与受电弓电压水平一致，随着检修恢复，产生的过电压是额定工作电压的两倍。但是由于在DC-Link中，薄膜电容替换了电解电容，所以无需对这一情况进行额外考虑。例如，在电解电容的运用情况下，过电压为

，当要求数值为15000V DC时，那么电解电容所要考虑的电压水平高达2500V，若是选用常用规格的电容，即450V，则至少使用6个进行串联方可满足需求。在替换使用薄膜电容时，直接将其设计范围控制在(600～2000)V DC之间即可，在其运作过程中能够轻易满足3000V DC的使用需求。除此之外，电解电容较难满足电容完全放电情况下，两电极间能量形成的短路放电，而在薄膜电容的替换使用下，DC-Link薄膜电容则可以很好适应较大冲击电流的通过，保证使用质量与使用状态。

2.2.3DC-Link薄膜电容器设计安装

对于替换使用薄膜电容的DC-Link电容器，通过使用前的规范设计可以达到很低的ESR（等效串联电阻）和自感Ls，一般情况下，前者可将其控制在10mΩ以下，更有甚者可达到1mΩ以下，后者可以控制在100nH以下，甚至可以在10或20nH以下。在该设计使用情况下，替换使用了薄膜电容的DC-Link电容器可以直接安装至IGBT模块，并对母线加以整合，使其也安装到此类电容器中，外部无需装设专门的IGBT对电容进行吸收，整体设计运用成本降低，更加满足DC-Link薄膜电容器的使用效益需求。

2.3总结与建议

DC-Link作为直流支撑滤波用电容设备，早期处于成本、尺寸大小等因素的考虑使得电解电容的应用较为广泛，但是在技术发展、使用场景增多的情况下，电解电容受到诸多因素的影响，其中包括电流承受能力、耐压等，随着电容使用需求向高压、大容量的不断发展，电解电容的使用方式趋向于串联与并联，单个设备无法满足使用需求。除此之外，由于电解液自身具有一定挥发性，所以在运用电解电容时还需要定期更换，这与新能源对产品寿命的使用要求（一般要达到15年）相悖，这意味着若是选用电解电容，则要在15年间更换两到三次电容器，这给整机售后带来较大影响。因此，应借助金属化镀膜技术与薄膜电容器技术的发展态势，积极利用镀膜电容替换使用点解电容，依托于技术带来的超薄OPP膜设计生产高电压大容量直流滤波电容，优化逆变器模块整体设计的同时，改善电路的杂散电感，降低电容器设计使用成本，为相关领域的发展提供设备技术支持。

结论：综上所述，新时期下，金属化镀膜技术、安全膜蒸镀技术愈发成熟，有效打破了电容器设计使用的瓶颈。因此，为满足高频高压、大容量的电容器使用需求，应深入研究DC-Link电容器中薄膜电容替换电解电容的运用路径，提高逆变器模块设计紧凑性，降低电容设计制作成本，满足高频高压、纹波电流等要求，延长电容使用寿命。

参考文献：

[1] 谢悦,沈梓涵,章玫婷,等. 国内铝电解电容器用阳极箔的研究进展[J]. 电镀与涂饰,2021,40(17):1348-1351.

[2] 熊藜,胡晋,杨曌,等. 微电容器的研究进展:从制备工艺到发展趋势[J]. 光学精密工程,2021,29(12):2818-2831.