作者：貿澤電子Rudy Ramos
電容器可用于提供重要的穿越（ride-through）（或保持）能量，或用于減小電源轉換電路中的紋波及噪聲。選擇正確類(lèi)型的電容器可能會(huì )對系統的總體尺寸、成本和性能產(chǎn)生深遠的影響。本文將討論一些常見(jiàn)應用中薄膜和電解電容器的優(yōu)勢。
薄膜和電解電容器：基本比較
薄膜電容器具有低的等效串聯(lián)電阻（ESR），因而具有良好的紋波電流處理能力以及高浪涌電壓額定值和自愈性能，是電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源、以及工業(yè)驅動(dòng)器等重要應用中許多功率調節任務(wù)的強有力競爭者。薄膜電容器特別適用于不需要保持（或穿越）的場(chǎng)合，例如在停電或線(xiàn)路頻率波動(dòng)峰值之間，需要在高可靠性和低損耗前提下提供或吸收大的高頻紋波電流。
薄膜電容器也非常適合運行在高直流總線(xiàn)電壓的應用，以最大限度地減少電阻損耗。由于鋁電解電容器只能提供額定值高達約550V的電壓，因此工作在更高電壓下的應用需要將多個(gè)器件串聯(lián)，之后有必要通過(guò)選擇具有匹配值的電容器來(lái)防止電壓不平衡，這種方法既昂貴又耗時(shí)；或者增加電壓平衡電阻器，這會(huì )增大額外的能量損失和BOM成本。
另一方面，當純粹的能量?jì)Υ婷芏龋ń苟?厘米3）是關(guān)注的主要參數時(shí)，鋁電解電容仍然是一個(gè)強有力的選擇對象。其中一個(gè)例子就是商用化的離線(xiàn)電源，它需要經(jīng)濟高效的大容量能量存儲以便在停電時(shí)保持直流輸出電壓，而無(wú)需備用電池。適當降低額定值可以減少鋁電解電容的壽命和可靠性等問(wèn)題。
然而，事實(shí)上鋁電解電容器只能承受20％左右的過(guò)電壓，如果再有更高的過(guò)壓，就會(huì )發(fā)生損壞，而薄膜電容器在短時(shí)間內可承受高達約兩倍額定電壓的過(guò)壓。正如在實(shí)際應用中通常遇到的情況那樣，自我修復能力可確保對偶然的過(guò)壓做出更安全的反應。此外，薄膜電容器可以實(shí)現更容易的連接和安裝，并且由于是非極化產(chǎn)品，因此不會(huì )出現反向連接錯誤。它們通常封裝在絕緣的、在體積方面非常高效的長(cháng)方形“盒子”外殼內，可進(jìn)行螺絲端子、接線(xiàn)片、“fastons”快接或總線(xiàn)排（bus bars）等各種電氣連接。
表1比較了常用薄膜電容器類(lèi)型的特性。聚酯類(lèi)可在低電壓下使用，而聚丙烯由于其低損耗因數（DF）和單位厚度的高介電擊穿能力，因此通常在高應力下表現出最低的損耗和最高的可靠性。DF相對比較穩定，不隨溫度和頻率有很大變化。 分段高結晶金屬化聚丙烯也可采用，并且能提供與鋁電解電容相當的能量密度。
表1：常用薄膜電容器類(lèi)型及其特性。
選擇合適的電容器
通過(guò)分析一些常見(jiàn)的電源轉換電路可以顯示選擇不同的電容器技術(shù)如何會(huì )深度影響系統的尺寸、重量和成本，同時(shí)取決于電容是否需要用于儲能或處理波紋噪聲。
例如，對于用作1kW離線(xiàn)轉換器的大容量電容，通過(guò)比較電解電容器和薄膜電容器可以清楚地說(shuō)明這兩種類(lèi)型電容器之間的特性差異。 如圖1所示，該轉換器具有功率因數校正前端，且具有400V的標稱(chēng)直流總線(xiàn)電壓（Vn）。
圖1：電容器用作停電穿越的能量存儲。
假設效率為90％，并且電壓降（Vd）為300V，低于該值，將會(huì )失去輸出調節功能。如果發(fā)生停電，當總線(xiàn)電壓從400V降至300V時(shí)，大容量電容器C1提供能量以保持恒定的輸出功率。 我們可以計算在電壓降至300V以下之前要進(jìn)行20ms穿越所需的C1值：
Po.tη=12CVn2-Vd2 或者 C=2 x 1000 x 0.020.9 x (4002-3002)=634µF 在450V額定值下
TDK-EPCOS B43508系列的680μF 450V鋁電解電容器其尺寸為直徑35mm x 55mm，滿(mǎn)足總體積為53cm3（約3立方英寸）的要求。
相比之下，使用薄膜電容器解決方案會(huì )導致不切實(shí)際的大體積：可能需要并聯(lián)多達15個(gè)TDK-EPCOS B32678薄膜電容器，從而導致1500cm3（91立方英寸）的總體積。
如果僅需要電容器來(lái)控制電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統等直流線(xiàn)路上的紋波電壓，則在選擇電容器時(shí)將會(huì )呈現顯著(zhù)不同。 總線(xiàn)電壓可能與以前一樣為400V，但由采用電池供電，因此不存在穿越需求。在下游轉換器以20kHz的開(kāi)關(guān)頻率提取80Arms脈沖電流時(shí)，將紋波限制在4Vrms以?xún)仁欠浅，F實(shí)的， 所需的電容是：
C=irmsVripple.2.π.f=804 x 2 x 3.14 x 20 x 1000=160µF at 450V額定電壓
TDK-EPCOS B43508系列的180μF450V電解電容在60°C時(shí)的紋波電流額定值約為3.5Arms，這其中包括了頻率校正。處理80A的電流需要并聯(lián)23個(gè)電容器，將導致不必要的4140μF大電容和約為1200cm3（73立方英寸）的總體積。這與電解電容紋波電流額定值的20mA /μF經(jīng)驗法則一致。
使用TDK-EPCOS B32678系列薄膜電容器，只用四個(gè)器件并聯(lián)就可以達到132Arms的紋波電流額定值，體積只有402cm3（24.5立方英寸）。此外，如果環(huán)境溫度可以保持在70°C以下，可以選擇尺寸更小的電容器。
還有其他一些原因使得薄膜電容器成為最佳選擇。多個(gè)電解電容器的并聯(lián)導致過(guò)大電容，可能出現控制浪涌電流中的能量等問(wèn)題。此外，在電動(dòng)汽車(chē)等輕載牽引應用中直流連接瞬態(tài)過(guò)壓的情況很常見(jiàn)，薄膜電容器的表現更為穩健。
類(lèi)似的分析也適合于UPS系統、風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電機的功率調節、通用并網(wǎng)逆變器和焊機等應用。
作為首選的薄膜電容器
薄膜或電解電容器的相對成本可以從大容量存儲或處理波紋能力角度進(jìn)行分析。如表2匯總的結果所示，2013年公布的數據1比較了由整流440VAC電源供電的直流總線(xiàn)典型成本：
表2：薄膜和電解電容器的成本比較。
考慮到上述分析，薄膜電容器是去耦、開(kāi)關(guān)緩沖和EMI抑制或逆變器輸出等濾波應用的絕佳選擇。
配置在逆變器或轉換器直流總線(xiàn)上的去耦電容器為高頻電流循環(huán)提供一個(gè)低電感路徑。 經(jīng)驗法則是每100A開(kāi)關(guān)使用大約1μF電容，值得注意的是，與電容器的連接應盡可能短以避免產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。在電流很大且頻率較高時(shí)，1000A/μs的變化幅度都是可能的，考慮到PCB走線(xiàn)可能具有約1nH / mm的電感，根據以下等式，每毫米可以產(chǎn)生1V的瞬態(tài)電壓：
Vtr=-Ldidt
在開(kāi)關(guān)緩沖電路中，電容器與電阻/二極管組合串聯(lián)，并通過(guò)電源開(kāi)關(guān)（通常為IGBT或MOSFET）連接，以控制dV/dt，如圖2所示。
圖2：IGBT或MOSFET的開(kāi)關(guān)緩沖。
緩沖電容能夠減低振鈴，可控制EMI，還可以防止虛假開(kāi)啟/關(guān)閉。緩沖電容的大小通常是要選擇大約是開(kāi)關(guān)輸出電容和安裝電容總和的兩倍，電阻值的選擇以能夠阻止所有振鈴為標準。
EMI抑制
如圖3所示，薄膜電容器利用其自恢復和瞬態(tài)過(guò)壓能力，也可理想地用作X型和Y型電容器，分別降低差分模式和共模噪聲。安全級別的X1（4kV）或X2（2.5kV）電容器通過(guò)電源線(xiàn)連接，通常為聚丙烯類(lèi)型，電容值通常為幾個(gè)μF，需要符合所適用的EMC標準。
具有低連接電感的Y型電容器處在輸入線(xiàn)對地連接的位置。在這里， Y1或Y2電容器的額定瞬態(tài)電壓分別為8kV和5kV，如圖所示處在輸入線(xiàn)對地連接。針對漏電流的考慮限制了可以施加的電容量，雖然薄膜電容器的低連接電感有助于保持較高的自共振，但應保持外部接地系統較短。
圖3：用于EMI抑制的X型和Y型電容。
逆變器輸出濾波
非極化薄膜電容器與串聯(lián)電感通�？杉稍趩蝹�(gè)模塊內，這樣可構成低通濾波器，用于衰減驅動(dòng)器和逆變器交流輸出中的高頻諧波（如圖4）。這些越來(lái)越多地用于滿(mǎn)足系統EMC要求，并減小電纜和電機上與dV/dt相關(guān)的應力，特別是在負載遠離驅動(dòng)單元時(shí)的情況。
圖4：電機驅動(dòng)EMC濾波中的薄膜電容器。
結論
對于電源轉換應用，通過(guò)了解電解電容器和薄膜電容器的相對優(yōu)勢，能夠幫助設計人員為實(shí)現最佳的整體尺寸、重量和BOM成本做出正確選擇�？梢院�(jiǎn)單總結如下：
電解電容器：
- 具有更高的儲能密度（焦耳/厘米3）
- 用于直流總線(xiàn)電壓的“直通”大容量電容時(shí)成本較低
- 在較高溫度下維持紋波電流額定值
薄膜電容器：
- 較低的ESR可實(shí)現出色的紋波處理
- 更高的浪涌電壓額定值
- 自我修復提高了系統的可靠性和使用壽命
