电容器应用技术

滤波电容是功率变换装置功率回路的一个极为重要的元件，整流电源中运用滤波电容作为整流环节，车载功率变换器多采用滤波电容作为滤波和储能环节，因而滤波电容容量的选择直接影响着整机的性能。

1. 电解电容器

早期的滤波电容通常采用电解电容。由于电解电容等效电感和等效电阻的存在，使得电解电容工作于高频状态的等效容量迅速下降，严重时将影响功率变换器的性能。同时，高频下电解电容的纹波电流在等效电阻的作用下的发热以及对电解电容寿命的影响变得不容忽视。在功率电路的设计过程中，对于电解电容的选择，主要考虑纹波电流的等级、发热量和对使用寿命这几个方面。

（1）纹波电流对电解电容发热量的影响

随着功率器件的开关动作，功率变换器的能量直接由电容器提供，当电解电容的电压低于直流母线电压时，由直流母线电压对电解电容充电，因此电解电容在功率变换器工作过程中一直处于充放电状态。电解电容的纹波电流通常理解为电容充放电电流的交流分量，纹波电流幅值是指与纹波电流相同面积的正弦波电流的有效值。

电解电容的纹波电流是电解电容损耗和发热的主要因素。电解电容所允许的纹波电流与电容器允许的最高温度、工作温度以及纹波电流频率相关，电解电容允许的纹波电流随温度的升高而降低，由发热引起的温升计算公式为

式中，ΔT——电解电容的中心温升，℃（通常情况下，ΔT≤5℃）；

R ESR——电解电容等效电阻；

ΔI C——纹波电流的有效值，A；

A——电容器表面积，cm2；

H——电容器的散热系数（对于铝电解电容，H=1.5×10-3～2.0×10-3W/cm2）。

当纹波电流造成电解电容温升较大时，可以考虑采用金属电容支架，将电容的热量向散热器传输，在一定程度上可以缓解电容器发热对系统的影响。

（2）纹波电流对电解电容寿命的影响

由于电解电容等效电阻存在，在叠加纹波电流的作用下，发热损耗将影响电容器的寿命，根据阿伦尼乌斯法则，温度上升10 ℃，电解电容的寿命将减少一半。考虑纹波电流和环境温度的电解电容寿命计算公式为

式中，T——电解电容工作温度；

T0 ——电解电容的最高工作温度；

ΔT 0——最高温度下电解电容中心允许温升，℃（根据经验验证， TΔ0=1℃～2℃，取值随电解电容直径增大而增加）；

L——温度为T时的电解电容寿命，h；

L0——工作在最高温度下的电解电容的寿命，h；

K——纹波电流对电解电容的寿命系数，K=2对应工作电流在纹波电流允许范围之内，K=4对应工作电流超过电解电容限定纹波电流的范围；

I0——最高温度下对应的额定纹波电流有效值，A；

I——温度为T时纹波电流有效值，A。

根据上式得到的电解电容使用寿命，适用于环境温度超过40 ℃的最高工作温度范围，但由于电解电容的加工工艺和老化等因素，实际的最大寿命一般不超过15年。

（3）根据纹波电流限制计算电解电容的容量

功率变换器滤波电容容量的选择主要考虑以下三个方面的因素：

① 能满足期望的纹波电压的电容容量；

② 电容的额定电压；

③ 电容的额定纹波电流。

基于对纹波电流与电解电容发热量和寿命关系的分析，纹波电流对于功率变换器滤波电容容量的选取起着关键的约束作用。根据纹波电流最大允许值计算滤波电容容量的方法为

式中， UΔd（p-p）——滤波电容上的设计纹波电压峰值，通常为输入直流母线电压的0.5%，V；

ΔI RMS——电容上的最大纹波电流有效值，通常最大纹波电流随着电解电容容量的增加和表面的增加而增大，A；

f——滤波电容的工作频率，Hz；

k1——工作频率增加时的纹波电流系数，通常当工作频率超过10 k Hz时，k1=1.4；

k2——相对于最高工作温度的纹波电流系数，对于最大温度为105 ℃的电解电容，当正常工作温度为80 ℃时，k2=2.0。

对于滤波电容器的选取，需综合考虑电容器的纹波电流、电容器容量、寿命、工作温度范围以及安装空间等因素，合理选择使用电容器。

2. 薄膜电容器

为进一步降低功率变换器的体积和质量，适应宽电压范围，大功率工况的要求，需要一个紧凑、低损耗、性价比高的DC-Link电容器，电容器电压可高达1 000 V DC，容量值可达3 000 μF。但是，电解电容额定电压低于500 V，且在一定的安装空间内，交流容量有限，难以满足上述工况的要求。薄膜电容器的额定电压可以达到 1 000 V DC以上，环境温度达到105 ℃～125 ℃，并且最大化了体积填充系数，比较适用于上述工况。典型的用薄膜电容器代替电解电容器的例子就是丰田的普锐斯混合动力系统。Prius I使用的滤波电容为电解电容， Prius II就开始使用薄膜电容器。

与电解电容相比较，薄膜电容器的设计和生产采用了以下专有技术：

（1）超薄金属化薄膜蒸镀技术

DC-Link电容器的发展趋势是在一定的电压下最大化“容量/体积”，这就要求薄膜介质的耐压水平由原来的50 80V/μm～ 提高到150 250V/μm～ ，甚至更高；要有4μm以下的薄膜蒸镀技术，以满足低母线电压的应用要求。薄膜电容器采用成熟的金属化薄膜蒸镀技术，将高温的铝蒸气均匀低蒸镀到超薄膜上，并且几乎不损伤薄膜。蒸镀后的薄膜短时间的耐压水平大于等于350V/μm，从而满足耐高压的要求。

（2）安全膜技术

安全膜技术是一种控制电容器自愈能量的技术。这种技术是将薄膜电容器的电极分割成由熔丝相连接的许多方块，如图4-1所示，方块上的介质弱点会因为熔丝的断开而被隔离开来。这就避免了电容器因为无法正常自愈而导致短路失效或爆炸的危险。

图4-1 两种不同类型的安全膜

（3）波浪边分切技术

薄膜电容器往往采用波浪边分切技术，如图4-2所示，增加镀金材料与电极的接触面积，提高产品抗大电流冲击和温度冲击的能力，有效避免了因金属化薄膜边缘接触不良导致电容器失效的问题。

薄膜电容器的技术工艺不仅使DC-Link电容器的额定电压提高到150V/μm以上，额定温度提高到105 ℃，还可以改善电容器本身的防潮性和抗温度冲击能力。

图4-2 波浪边分切技术

与电解电容相比，采用上述技术生产的薄膜电容器具有以下优点：

① 良好的温度特性。DC-Link 薄膜电容器采用的高温聚丙烯薄膜，具有聚酯薄膜和电解电容器不具备的温度稳定性，而电解电容在低温下容量急剧下降的特点影响了其在低温环境中的应用，因此在高海拔和高纬度等低温地区使用电解电容进行滤波和储能，就需要特别的设计。

② 可承受反向电压。如果超过1.5Un的反向电压被加在电解电容上时，会引起电解电容内部发生化学反应；如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或是随着电容内部压力的释放导致电解液流出。而薄膜电容器由于其自身无极性，可以承受双向电压冲击，可靠性更高。

③ 抗脉冲电压能力强。薄膜电容器的耐冲击电压超过1.5Un ，而电解电容器的抗脉冲电压低于1.2Un。

④ 干式设计。没有电解液泄漏的问题，没有酸液污染。

⑤ 低ESR，通过耐纹波电流能力强。薄膜电容器的纹波电流能力可以达到200m A/μF，而电解电容器通过纹波电流能力仅为20m A/μF。薄膜电容器的这个特点可以大幅度减小系统中所需要电容器的容量。

⑥ 低ESL。功率变换器的低电感设计要求其主要元件DC-Link电容器要有极低的电感值。高性能DC-Link薄膜电容器通过把母线整合到电容器模块里，使它的自感降到最低（＜30 m H），减小了在必要高开关频率下的震荡效应。

⑦ 使用寿命长。在额定电压和额定温度下，薄膜电容器使用寿命大于100 000 h，和新能源汽车的使用寿命相当。

选择薄膜电容器时，如果已知功率变换器的最大允许纹波电压和纹波电流的有效值，系统中需要的最小电容器容量可以通过以下公式计算：

薄膜电容器采用新的制作工艺和金属化薄膜技术，增加了传统薄膜电容器的能量密度，使电容器的体积大幅度减小。同时，通过将电容器的芯子和接线母排整合的方式来满足灵活的车辆安装尺寸要求，使得整个功率变换器模块更加紧凑，简化了系统电路，使电路的性能更好。在高电压、大电流、有过电压、有方向电压、长寿命等要求的电路设计中，薄膜电容器的应用已经成为一种趋势。