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電源相關應用中的電容選擇
 

【作者: Rudy Ramos】   2018年05月28日 星期一

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雖然電容之類型並沒有太大改變,但是當下卻有許多新的電源領域應用不斷出現,如替代能源、電動車(EV)、能源儲存等,這些領域都需要電容。本文將比較各種技術並討論一些用例。


鋁質電解電容依舊受歡迎嗎?

成本是當下許多系統的主要考量因素,鋁質電解電容的成本仍然低於同等薄膜電容,因此在尺寸較大的能源存儲應用中很受歡迎。這種產品具有較短的使用壽命和較低的可靠性,但可以在某些應用中透過適當降檔使用來消除這些顧慮。


而且,它們通常能夠提供相較薄膜電容更高的單位體積儲能,這裡分段高結晶度金屬化聚丙烯(segmented high-crystalline metallized polypropylene)等特殊類型除外。鋁質電解電容在許多高溫條件下的應用中具有更好的性能表現,特別是在諸如紋波電流額定值等參數層面。


薄膜電容適合於哪些應用?

薄膜電容可以提供更低的ESR額定值,顯著改善紋波電流性能,並可提供更好的浪湧額定值。由於它們的構造,它們還具有更好的可靠性,因為它們可以在壓力之後「自愈」,這取決於數量和重複頻率。


在電動車中,不存在「滯留(hold-up)」要求,所以薄膜電容在這裡是理想的方案,並且隨著電池疊層增加和匯流排電壓升高,薄膜電容的額定電壓是一個優勢。在這裡使用鋁質電解電容需要使用電壓平衡電阻器進行複雜的(並且昂貴的)串聯堆疊,以克服它們大小約為550V左右的額定電壓。


哪個更好?

在理想條件下,兩者的可靠性差異並不大,儘管薄膜電容可以承受100%的過壓,但電解電容過壓超過20%時便經常損壞。在正常的操作中,偶然的過壓是可以預料的,自愈型薄膜電容可以更好地應對這種情形,這不僅僅是因為電解電容能夠短路和失效,而且會導致整個組件的毀壞。


實際上,薄膜電容更易於使用,它沒有被極化,因此不會被誤裝,並且外形和連接範圍使安裝更容易。


薄膜電容類型

薄膜電容中的薄膜可採用許多不同的介電質,其性能表現不盡相同[1]。



圖1 : 有多種薄膜介電質可供選擇。
圖1 : 有多種薄膜介電質可供選擇。

如果在壓力下的損耗和可靠性是主要考慮因素,那麼PP是最佳選擇,緣由是低損耗因數(DF)和高介電強度。低DF意味著較低損耗和較低的生熱。然而,其他類型能夠在給定尺寸下存儲更多的電荷,或者在高溫下存儲表現更好,PET依舊是低電壓應用之上佳選擇。


PP電容的架構

有兩種主要類型的薄膜電容採用金屬箔和沈積金屬化架構 [2]。



圖2 : PP電容的架構。
圖2 : PP電容的架構。

對於高峰值電流,可在介電層之間插入5微米厚金屬箔片,但這不具備自我修復之特性。


或者,可以使用真空形成的金屬化薄膜。鋁金屬化在高溫下沉積,這裡鋅或鋁鋅合金也可以替代鋁金屬使用。在發生故障時,局部受熱(高達攝氏6000度)能夠形成等離子體,並停止放電以修復缺陷。隨著時間的推移,由於這個過程的影響,電容值會減小,從而可以確定電容之老化,並在需要時進行更換。


可以透過將薄膜分割為數百萬個區域來解決總過載問題,把電流饋入每個區域使其擔當熔絲(fuse)。額外的安全裕度允許更高的電壓額定值,但會降低峰值電流應對。


帕邢曲線(Paschen curve)

PP電容具有幾千伏的擊穿電壓,這仰仗其材料的650V /μm介電強度。但是,由於這些高電壓,可能出現局部放電(PD)或電暈(Corona)。材料或氣隙中的微小空隙會擊穿,留下微量的碳。最初這種影響不大,但隨著時間的推移會導致突然和完全的擊穿。


帕邢曲線詳細說明瞭這種效應,並顯示了「初始」和「毀滅」電壓,高於藍色帕邢曲線的點可能導致PD擊穿。



圖3 : Paschen曲線詳盡顯示了PD擊穿。
圖3 : Paschen曲線詳盡顯示了PD擊穿。

有幾種方法可以解決PD問題。其中一種是用油填充高壓電容,從而去除空隙。或者,電容可以在內部分段以將電壓應力降低到初始電壓以下。降低介電質厚度是另一種方法,透過降低電壓梯度(gradient)來達到目的。


整合箔片和金屬化的「混合」方法可以在更高的峰值電流能力和自愈能力之間達到平衡。


薄膜電容之應用

其中一個案例是效率為90%的1kW離線電源以及一個功率因數校正(PFC)前端。為瞭解決電源波動,需要20ms的穿越(保持)來阻止匯流排電壓降至300V的電壓差以下,以免輸出受到損害。



圖4 : 1kW電源應用示例。
圖4 : 1kW電源應用示例。

存儲在C1中的能源可以在保持時間內維持輸出,所需要的電容尺寸可透過方程式來計算。


在一個實際用例中,如果使用鋁質電解電容,其尺寸大約是52cm3(3立方英寸),例如TDK-EPCOS B43508系列。而如果是薄膜電容則需要大約15個TDK-EPCOS B32678並列。對於1500 cm3(91立方英寸)之體積,這不是一個可行的解決方案。


對於一個電動車應用,那麼匯流排電壓將來自一個電池,電容只會管理紋波電壓而沒有保持要求。通常情況下,對於工作在20 kHz下的80Arms轉換器其紋波電壓為4Vrms。


但是,EPCOS B43508系列180μF450 V電解電容在60°C時的紋波電流額定值僅為3.5Arms。因此,需要並列23個電容以達成4140μF的電容值,其不切實際的體積為1200 cm3(73立方英寸)。有趣的是,這驗證了電解電容的20mA/μF「經驗法則」紋波電流額定值。


一個薄膜電容的選項是EPCOS B32678,其中四個並列電容可在402cm3(24.5立方英寸)體積內實現132 Arms額定值,在較低工作溫度下尺寸可以進一步減小。薄膜電容還能夠更好地應對瞬態過壓。


如果設計師堅持使用電解電容,則必須管理與巨大電容相關的湧入電流。


這個例子經常在UPS系統、風能和太陽能、焊接和並網變頻器中出現。


成本始終是任何設計的一個因素。


其他應用:去耦和緩衝

包括變頻器在內的許多電源應用都需要緩衝(snubbing)或去耦。一般來說,由於金屬化裝置需要特殊的設計和製造,如果有足夠的空間,則首選薄膜/箔片電容。


在去耦應用中,電容放置在直流軌上,允許高頻電流透過。每100A開關電容的典型額定值為1μF。


如果未安裝去耦電容,則電流透過較高電感迴路循環,產生瞬態電壓,可透過以下公式計算: Vtr= - Ldi╱dt


即便幾個nH的電感也會導致顯著的電壓,di值通常達到1000A /μs。 PCB佈線常常引入每毫米1nH的寄生電感,這意味著採用更短的佈線非常重要。


為了抑制IGBT或MOSFET之間的dV / dt,電容中增加了一個電阻/二極體網路。


圖5 : 透過IGBT或MOSFET的緩衝。
圖5 : 透過IGBT或MOSFET的緩衝。

緩衝透過減緩振鈴來控制EMI。它也能夠阻止虛假開關,特別是對於IGBT,由於其較高水準的DV / dt。電容值可以透過將開關輸出電容和安裝電容總和加倍來確定,選擇電阻值是為了實現任何振鈴的臨界阻尼。也有其他實現最佳效果的方式,例如McMurray [4]所述之方法。


在市電應用中過濾EMI

由於其自愈能力和耐瞬態性,安全評級的PP電容通常用於線對中性(line-to-neutral)市電應用,以降低差動模式EMI。這些電容需要承受4 kV或2.5 kV瞬態電壓,並被列為X1或X2。各種EMC標準要求幾個μF(microfarads)的電容值來達到標準的一致性。


在線對地應用中,可以用8 kV和5 kV(Y1和Y2)瞬態額定值的Y型電容來降低共模雜訊。只要連接到地保持短路,由於薄膜電容的連接電感低,自諧振依然很高。



圖6 : 薄膜電容可用於在市電應用中抑制EMI。
圖6 : 薄膜電容可用於在市電應用中抑制EMI。

馬達驅動器和變頻器的濾波

由於馬達通常距離驅動器較遠,因此需要進行濾波以降低系統EMI以滿足整體EMC要求,並減小電纜和馬達上的電壓應力。 PP薄膜電容由於具備高紋波電流額定值、容積效率和可靠性,因而是理想選擇。電感器和電容組成一個低通濾波器,並可一起包裝在同一個濾波模組中。



圖7 : 馬達驅動EMI能夠透過薄膜電容而過濾掉。
圖7 : 馬達驅動EMI能夠透過薄膜電容而過濾掉。

(本文作者Rudy Ramos為Mouser Electronics技術內容營銷團隊專案經理)


參考文獻

[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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