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电源相关应用中的电容选择
 

【作者: Rudy Ramos】2018年05月28日 星期一

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虽然电容之类型并没有太大改变,但是当下却有许多新的电源领域应用不断出现,如替代能源、电动车(EV)、能源储存等,这些领域都需要电容。本文将比较各种技术并讨论一些用例。


铝质电解电容依旧受欢迎吗?

成本是当下许多系统的主要考量因素,铝质电解电容的成本仍然低於同等薄膜电容,因此在尺寸较大的能源存储应用中很受欢迎。这种产品具有较短的使用寿命和较低的可靠性,但可以在某些应用中透过适当降档使用来消除这些顾虑。


而且,它们通常能够提供相较薄膜电容更高的单位体积储能,这里分段高结晶度金属化聚丙烯(segmented high-crystalline metallized polypropylene)等特殊类型除外。铝质电解电容在许多高温条件下的应用中具有更好的性能表现,特别是在诸如纹波电流额定值等叁数层面。


薄膜电容适合於哪些应用?

薄膜电容可以提供更低的ESR额定值,显着改善纹波电流性能,并可提供更好的浪涌额定值。由於它们的构造,它们还具有更好的可靠性,因为它们可以在压力之後「自愈」,这取决於数量和重复频率。


在电动车中,不存在「滞留(hold-up)」要求,所以薄膜电容在这里是理想的方案,并且随着电池叠层增加和汇流排电压升高,薄膜电容的额定电压是一个优势。在这里使用铝质电解电容需要使用电压平衡电阻器进行复杂的(并且昂贵的)串联堆叠,以克服它们大小约为550V左右的额定电压。


哪个更好?

在理想条件下,两者的可靠性差异并不大,尽管薄膜电容可以承受100%的过压,但电解电容过压超过20%时便经常损坏。在正常的操作中,偶然的过压是可以预料的,自愈型薄膜电容可以更好地应对这种情形,这不仅仅是因为电解电容能够短路和失效,而且会导致整个组件的毁坏。


实际上,薄膜电容更易於使用,它没有被极化,因此不会被误装,并且外形和连接范围使安装更容易。


薄膜电容类型

薄膜电容中的薄膜可采用许多不同的介电质,其性能表现不尽相同[1]。



图1 : 有多种薄膜介电质可供选择。
图1 : 有多种薄膜介电质可供选择。

如果在压力下的损耗和可靠性是主要考虑因素,那麽PP是最隹选择,缘由是低损耗因数(DF)和高介电强度。低DF意味着较低损耗和较低的生热。然而,其他类型能够在给定尺寸下存储更多的电荷,或者在高温下存储表现更好,PET依旧是低电压应用之上隹选择。


PP电容的架构

有两种主要类型的薄膜电容采用金属箔和沈积金属化架构 [2]。



图2 : PP电容的架构。
图2 : PP电容的架构。

对於高峰值电流,可在介电层之间??入5微米厚金属箔片,但这不具备自我修复之特性。


或者,可以使用真空形成的金属化薄膜。铝金属化在高温下沉积,这里锌或铝锌合金也可以替代铝金属使用。在发生故障时,局部受热(高达摄氏6000度)能够形成等离子体,并停止放电以修复缺陷。随着时间的推移,由於这个过程的影响,电容值会减小,从而可以确定电容之老化,并在需要时进行更换。


可以透过将薄膜分割为数百万个区域来解决总过载问题,把电流??入每个区域使其担当熔丝(fuse)。额外的安全裕度允许更高的电压额定值,但会降低峰值电流应对。


帕邢曲线(Paschen curve)

PP电容具有几千伏的击穿电压,这仰仗其材料的650V /μm介电强度。但是,由於这些高电压,可能出现局部放电(PD)或电晕(Corona)。材料或气隙中的微小空隙会击穿,留下微量的碳。最初这种影响不大,但随着时间的推移会导致突然和完全的击穿。


帕邢曲线详细说明了这种效应,并显示了「初始」和「毁灭」电压,高於蓝色帕邢曲线的点可能导致PD击穿。



图3 : Paschen曲线详尽显示了PD击穿。
图3 : Paschen曲线详尽显示了PD击穿。

有几种方法可以解决PD问题。其中一种是用油填充高压电容,从而去除空隙。或者,电容可以在内部分段以将电压应力降低到初始电压以下。降低介电质厚度是另一种方法,透过降低电压梯度(gradient)来达到目的。


整合箔片和金属化的「混合」方法可以在更高的峰值电流能力和自愈能力之间达到平衡。


薄膜电容之应用

其中一个案例是效率为90%的1kW离线电源以及一个功率因数校正(PFC)前端。为了解决电源波动,需要20ms的穿越(保持)来阻止汇流排电压降至300V的电压差以下,以免输出受到损害。



图4 : 1kW电源应用示例。
图4 : 1kW电源应用示例。

存储在C1中的能源可以在保持时间内维持输出,所需要的电容尺寸可透过方程式来计算。


在一个实际用例中,如果使用铝质电解电容,其尺寸大约是52cm3(3立方英寸),例如TDK-EPCOS B43508系列。而如果是薄膜电容则需要大约15个TDK-EPCOS B32678并列。对於1500 cm3(91立方英寸)之体积,这不是一个可行的解决方案。


对於一个电动车应用,那麽汇流排电压将来自一个电池,电容只会管理纹波电压而没有保持要求。通常情况下,对於工作在20 kHz下的80Arms转换器其纹波电压为4Vrms。


但是,EPCOS B43508系列180μF450 V电解电容在60。C时的纹波电流额定值仅为3.5Arms。因此,需要并列23个电容以达成4140μF的电容值,其不切实际的体积为1200 cm3(73立方英寸)。有趣的是,这验证了电解电容的20mA/μF「经验法则」纹波电流额定值。


一个薄膜电容的选项是EPCOS B32678,其中四个并列电容可在402cm3(24.5立方英寸)体积内实现132 Arms额定值,在较低工作温度下尺寸可以进一步减小。薄膜电容还能够更好地应对瞬态过压。


如果设计师坚持使用电解电容,则必须管理与巨大电容相关的涌入电流。


这个例子经常在UPS系统、风能和太阳能、焊接和并网变频器中出现。


成本始终是任何设计的一个因素。


其他应用:去耦和缓冲

包括变频器在内的许多电源应用都需要缓冲(snubbing)或去耦。一般来说,由於金属化装置需要特殊的设计和制造,如果有足够的空间,则首选薄膜/箔片电容。


在去耦应用中,电容放置在直流轨上,允许高频电流透过。每100A开关电容的典型额定值为1μF。


如果未安装去耦电容,则电流透过较高电感??路循环,产生瞬态电压,可透过以下公式计算: Vtr= - Ldi/dt


即便几个nH的电感也会导致显着的电压,di值通常达到1000A /μs。 PCB布线常常引入每毫米1nH的寄生电感,这意味着采用更短的布线非常重要。


为了抑制IGBT或MOSFET之间的dV / dt,电容中增加了一个电阻/二极体网路。


图5 : 透过IGBT或MOSFET的缓冲。
图5 : 透过IGBT或MOSFET的缓冲。

缓冲透过减缓振铃来控制EMI。它也能够阻止虚假开关,特别是对於IGBT,由於其较高水准的DV / dt。电容值可以透过将开关输出电容和安装电容总和加倍来确定,选择电阻值是为了实现任何振铃的临界阻尼。也有其他实现最隹效果的方式,例如McMurray [4]所述之方法。


在市电应用中过滤EMI

由於其自愈能力和耐瞬态性,安全评级的PP电容通常用於线对中性(line-to-neutral)市电应用,以降低差动模式EMI。这些电容需要承受4 kV或2.5 kV瞬态电压,并被列为X1或X2。各种EMC标准要求几个μF(microfarads)的电容值来达到标准的一致性。


在线对地应用中,可以用8 kV和5 kV(Y1和Y2)瞬态额定值的Y型电容来降低共模杂讯。只要连接到地保持短路,由於薄膜电容的连接电感低,自谐振依然很高。



图6 : 薄膜电容可用於在市电应用中抑制EMI。
图6 : 薄膜电容可用於在市电应用中抑制EMI。

马达驱动器和变频器的滤波

由於马达通常距离驱动器较远,因此需要进行滤波以降低系统EMI以满足整体EMC要求,并减小电缆和马达上的电压应力。 PP薄膜电容由於具备高纹波电流额定值、容积效率和可靠性,因而是理想选择。电感器和电容组成一个低通滤波器,并可一起包装在同一个滤波模组中。



图7 : 马达驱动EMI能够透过薄膜电容而过滤掉。
图7 : 马达驱动EMI能够透过薄膜电容而过滤掉。

(本文作者Rudy Ramos任职於贸泽电子)


叁考文献

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Film_capacitor


[2]https://www.electrocube.com/details/capacitors-for-switching-regulators-filters


[3]Cornell Dubilier, “Advances in Capacitors and Ultracapacitors for Power Electronics,” APEC 2013


[4]William McMurray, OPTIMUM SNUBBERS FOR POWER SEMICONDUCTORS, IEEE IAS transactions, Vol. IA-8, No. 5, Sept/Oct 1972, pp. 593-600


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