摘要：隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，變流技術(shù)相應(yīng)得到普遍運用,，DC-Link電容作為其中的關(guān)鍵器件選型尤為重要。直流濾波器中DC-Link電容一般要求大容量,、大電流處理以及高電壓等特性,，本文通過薄膜電容和電解電容特性對比以及相關(guān)運用分析,，得出在要求工作電壓高、承受高紋波電流（Irms）,、有過電壓要求,、有電壓反向現(xiàn)象、處理高沖擊電流（dV/dt）以及長壽命要求的電路設(shè)計中,，隨著金屬化蒸鍍技術(shù)以及薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展,，薄膜電容在性能及價格方面替代電解電容將成為設(shè)計者今后選擇的一種趨勢。

0 引言

隨著各國出臺新能源相關(guān)政策以及新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，該領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶來了新機遇,，電容器作為必不可少的上游相關(guān)產(chǎn)品行業(yè)也獲得了新的發(fā)展機遇。在新能源及新能源汽車運用中,，電容器在能源控制,、電源管理、電源逆變以及直流交流變換等系統(tǒng)中是決定變流器壽命的關(guān)鍵元器件,。變流技術(shù)在上述系統(tǒng)中普遍得到運用,，然而在逆變器中直流電作為輸入電源，需通過直流母線與逆變器連接,，該方式叫作DC-Link或直流支撐,。因逆變器在從DC-Link得到有效值和峰值很高的脈沖電流的同時，會在DC-Link上產(chǎn)生很高的脈沖電壓使得逆變器難以承受,。所以需要選擇DC-Link電容器來連接,，一方面以吸收逆變器從DC-Link端的高脈沖電流，防止在DC-Link的阻抗上產(chǎn)生高脈沖電壓，使逆變器端的電壓波動處在可接受范圍內(nèi),；另一方面也防止逆變器受到DC-Link端的電壓過沖和瞬時過電壓的影響,。

為新能源（含風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電）以及新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)中DC-Link電容器的運用示意圖圖1、2.

圖1為風(fēng)力發(fā)電變流器電路拓?fù)鋱D,，其中C1為DC-Link（一般整合到模塊上）,，C2為IGBT吸收，C3為LC濾波（網(wǎng)側(cè)）,，C4轉(zhuǎn)子側(cè)DV/DT濾波,。圖2為光伏發(fā)電變流器電路拓?fù)鋱D,，其中C1為DC濾波,，C2為EMI濾波，C4為DC-Link,C6為LC濾波（網(wǎng)側(cè)）,，C3為DC濾波,，C5為IPM/IGBT吸收。圖3為新能源汽車系統(tǒng)中主電機驅(qū)動系統(tǒng),，其中C3為DCLink,C4為IGBT吸收電容,。

在上述提到的新能源領(lǐng)域運用中，DCLink電容作為一個關(guān)鍵器件,，不管是在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),、光伏發(fā)電系統(tǒng)還是在新能源汽車系統(tǒng)中都要求高可靠性及長壽命，其選型顯得尤為重要,。下面介紹薄膜電容與電解電容的特性對比及在DC-Link電容運用中兩者的分析對比：

1.特性對比

1.1 薄膜電容

首先介紹薄膜金屬化的原理,，薄膜金屬化技術(shù)的原理：在薄膜介質(zhì)表面蒸鍍上足夠薄的金屬層，在介質(zhì)存在缺陷的情況下,，該鍍層能夠蒸發(fā)并因此隔離該缺陷點起到保護作用,，這種現(xiàn)象被稱作自愈。圖4為金屬化鍍膜的原理圖,，蒸鍍前薄膜介質(zhì)先進行前期處理（電暈或其他方式）以便金屬分子能夠附著在上面,。金屬通過在真空狀態(tài)下高溫溶化蒸發(fā)（鋁的蒸發(fā)溫度1400攝氏度~1600攝氏度，鋅的蒸發(fā)溫度400攝氏度~600攝氏度）,，當(dāng)金屬蒸氣遇被冷卻的薄膜后凝結(jié)在薄膜表面（薄膜冷卻溫度-25攝氏度~-35攝氏度）,，從而形成金屬鍍層。金屬化技術(shù)的發(fā)展提高了單位厚度的薄膜介質(zhì)的介電強度,，干式技術(shù)脈沖或放電運用電容設(shè)計可以達到500V/μm,直流濾波運用電容設(shè)計可以達到250V/μm.DC-Link電容屬于后者,，根據(jù)IEC61071對于電力電子運用電容的要求可以承受較為苛刻的電壓沖擊，可以達到2倍的額定電壓,。因此使用者只需考慮其設(shè)計所需的額定工作電壓就可以了,。金屬化薄膜電容器具有較低的ESR,使其能承受較大的紋波電流；較低的ESL滿足逆變器的低電感設(shè)計要求，減少了開關(guān)頻率下的震蕩效應(yīng),。

薄膜介質(zhì)的質(zhì)量,、金屬化鍍層質(zhì)量、電容器設(shè)計及制造過程工藝決定了金屬化電容器自愈特性的好壞,。Faratronic生產(chǎn)的DC-Link電容用的薄膜介質(zhì)主要為OPP薄膜,。

1.2 電解電容

電解電容使用的介質(zhì)為鋁經(jīng)過腐蝕形成的氧化鋁，介電常數(shù)為8~8.5,工作的介電強度約為0.07V/A（1μm=10000A）,，按照計算對于900Vdc的電解電容需要的厚度為12000A.然而要達到這樣的厚度是不可能的,，因為為了獲得好的儲能特性所用鋁箔要進行腐蝕形成氧化鋁膜，表面會形成許多凹凸不平的曲面,，鋁層厚度會降低電解電容的容量系數(shù)（比容）,。另一方面，低電壓的電解液電阻率為150Ωcm,高電壓（500V）的電解液的電阻率則達到5kΩcm.

電解液較高的電阻率限制了電解電容所能承受的有效值電流,，一般為20mA/μF.

基于上述原因電解電容的設(shè)計最高電壓典型值為450V（有個別廠家設(shè)計600V）,。

因此，為了獲得更高的電壓必須用電容器串聯(lián)實現(xiàn),，然而因各個電解電容的絕緣電阻存在差異,，為了平衡各串聯(lián)電容的電壓，各電容必須連接一個電阻,。此外,，電解電容為有極性器件，當(dāng)施加反向電壓超過1.5倍Un時,，會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),。當(dāng)施加的反向電壓時間足夠長，電容將發(fā)生爆炸,，或冒頂電解液將外溢,。為了避免該現(xiàn)象發(fā)生，使用的時候要在每個電容旁并上一個二極管,。除此之外,，電解電容的耐電壓沖擊特性，一般為1.15倍Un,好的可以達到1.2倍Un.這樣設(shè)計師在使用時就不但要考慮穩(wěn)態(tài)工作電壓大小,，而且還要考慮其沖擊電壓大小,。

綜上所述，可以得出薄膜電容與電解電容如下特性對比表,，見表1.

2.運用分析

DC-Link電容作為濾波器要求大電流和大容量設(shè)計,。如圖3提到的新能源汽車主電機驅(qū)動系統(tǒng)就是一個例子。在該運用中電容起到退耦作用,，電路特點工作電流大,。薄膜DC-Link電容具有較大優(yōu)勢,，能承受較大的工作電流（Irms）。以50~60kW新能源汽車參數(shù)為例,，參數(shù)如下：工作電壓330Vdc,紋波電壓10Vrms,紋波電流150Arms@10KHz.

那么最小電容量計算為：

這樣對于薄膜電容設(shè)計很容易實現(xiàn),。假設(shè)采用電解電容，如果考慮20mA/μF,那么為了滿足上述參數(shù),， 計算電解電容最小的容值為：

這樣需要多個電解電容并聯(lián)獲得該容值,。

在過電壓運用場合，如輕軌,、電動巴士,、地鐵等，考慮這些動力通過受電弓連接到機車集電弓,，在運輸行進過程中受電弓與集電弓的接觸是間續(xù)的,。當(dāng)兩者不接觸時通過DC-Link電容進行支撐供電，當(dāng)兩者接觸恢復(fù)時過電壓就會產(chǎn)生,。最壞的情況是斷開時由DC-Link電容完全放電,，此時放電電壓等于受電弓電壓,，當(dāng)恢復(fù)接觸時,，其產(chǎn)生的過電壓幾乎就是額定工作時的2倍Un.對于薄膜電容DC-Link電容可以處理不需額外考慮。如果采用電解電容,，過電壓為1.2Un .以上海地鐵為例,，Un=1500Vdc,對于電解電容要考慮電壓為：那么要用6個450V的電容進行串聯(lián)連接。若采用薄膜電容設(shè)計在600Vdc到2000Vdc,甚至3000Vdc都容易實現(xiàn),。此外,，在電容完全放電情況下能量在兩電極間形成短路放電，產(chǎn)生很大沖擊電流通過DC-Link電容,，通常電解電容很難滿足要求,。

另外，相對于電解電容DC-Link薄膜電容器通過設(shè)計可以達到很低的ESR（通常低于10mΩ,，更低的<1mΩ）和自感LS（通常低于100nH,有的可以低于10或20nH）,。這樣在運用時DC-Link薄膜電容器可直接安裝到IGBT模塊，可以把母線整合到DC-Link薄膜電容器中,，因此采用薄膜電容器則不再需要專門的IGBT吸收電容,，為設(shè)計者節(jié)約了一筆不小的費用。表2和表3為Faratronic C3A和C3B部分產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù),。

3.結(jié)論

作為直流支撐濾波用電容,，DC-Link電容早期考慮到成本及尺寸因素大部分選擇電解電容。然而電解電容受到耐壓,、電流承受能力（相對薄膜電容ESR高很多）等因素的影響,，為了獲得大容量和滿足高壓使用要求,，則必須要用多個電解電容進行串、并聯(lián),。另外考慮到電解液材料的揮發(fā),，所以要定期進行更換，新能源運用一般要求產(chǎn)品壽命要達15年,，那么在這段時間內(nèi)必須更換兩到三次,，因而在整機售后服務(wù)方面存在不小的費用和不方便性。隨著金屬化鍍膜技術(shù)及薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展,，采用安全膜蒸鍍技術(shù)已經(jīng)可以用超薄OPP膜（最薄2.7μm,甚至2.4μm）生產(chǎn)出電壓450V到1200V甚至更高電壓的大容量直流濾波電容,。另一方面通過DC-Link電容與母排整合，使得逆變器模塊設(shè)計更加緊湊,，大大降低了電路的雜散電感使電路更加優(yōu)化,。

以此同時，薄膜電容制作成本在不斷下降,，相比電解電容更凸顯其經(jīng)濟性,，在要求工作電壓高、承受高紋波電流（Irms）,、有過電壓要求,、有電壓反向現(xiàn)象、處理高沖擊電流（dV/dt）以及長壽命要求的電路設(shè)計中,，選擇DC-Link薄膜電容替代電解電容將成為設(shè)計者今后設(shè)計選擇的一種趨勢,。

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