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替代电解电容的膜电容技术 |
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作者：Gilles Terzulli |
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摘要：从1980年开始， 使用金属化膜以及膜上金属分割技术的DC滤波电容得到了长足的发展。在过去多年的发展中， 电容的体积和重量减小了3到4倍。现在薄膜生产商开发出了更薄的膜，同时改进了金属化的分割技术极大的帮助了这种电容的发展。用干式设计，使膜电容能够比电解电容更加经济地覆盖600VDC到1200VDC之间的电压范围。根据应用， 在电压超过1200VDC时， 填注菜籽油的电容被推荐使用。
膜电容具有的许多优势，使膜电容替代电解电容成为了工业和机车功率变换市场的趋势。
这些优势包括了：
· 承受高有效值电流的能力， 可达1Arms/uF
· 能承受两倍于额定电压的过压
· 能承受反向电压
· 承受高峰值电流的能力
· 没有酸污染
· 长寿命
· 可长时间存储
但是，这种替代并非“微法对微法”的替代，而是功能上的替代。
当然，尽管膜电容技术有了长足的进展，但不是所有的应用领域都能替代电解电容。 为了帮助使用者理解，我们将介绍一些具体的例子，在这些例子里，显示了膜电容的优势。
金属化技术
原理
在电介质膜上，镀上很薄的金属层，如果电介质出现短路，金属镀层会因此而挥发并将短路的地方隔离开来。这种现象称为自愈效应。
金属化工艺
首先，对聚合物膜（聚丙烯）进行处理， 使金属原子能够附着在膜上。
金属在真空下蒸发（对铝1200°C）浓缩到被处理过的膜表面（膜被冷却到 -25 °C 至 -35°C）形成金属层。
生产设备的图示
金属化膜的自愈效应是提高电压梯度的主要因素。即使聚合物膜的质量得到很大的改善，主要的发展还是在金属化上。
今天， 对于干式技术，在脉冲应用中，电压梯度能够达到500 V/μm以上，在DC滤波的应用中，电压梯度能够达到250 V/μm。
由于电容是按照CEI 1071标准进行的设计，电容能够承受几次达两倍于额定电压的浪涌电压的冲击而不会有明显的寿命缩短现象。所以，用户只需考虑应用中所需要的标称电压。
电解电容技术
电解电容使用氧化铝的电介质属性。铝的电介质常数介于8到8.5之间，工作电压梯度大约为0.07V/Å。因此，对于900 VDC，需要12000 Å或1.2μm的铝的厚度。
然而，这个厚度是不可能达到的， 因为为了具有很好的能量密度， 铝箔表面必须有凹槽。显然，在铝箔凹槽与厚度之间有一个比率。铝的厚度减少了铝箔凹槽的容值系数。例如，与低电压电容相比，500V的容值系数降为原来的一半。
另外， 与低电压电解电容的电解液传导率150 Ωcm相比， 高电压电解电容（500V）的电解液传导率达到了5 kΩcm，它的有效值电流被限制在大约20mA每μF。
由于上述原因，典型的电解电容的最大标称电压为500到600V。所以在要求更高电压的情况下，使用者必须将多只电容串联使用。同时， 由于各电容的绝缘电阻不同， 使用者必须在每个电容上连接电阻以平衡电压。
此外， 如果超过额定电压1.5倍的反向电压被加在电容上时，会引起电容内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。为了避免这种危险， 使用者必须给每个电容并联一个二极管。
最后，在特定应用中电容的抗浪涌能力也是考察电容的重要指标。实际上，对电解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是VnDC的1.15或1.2倍（更好的电解电容）。这种情况迫使使用者不得不考虑浪涌电压而非标称电压。
直流支撑滤波：高电流设计和 容值设计
a)使用电池供电的情况
应用为电车或电叉车
在这种情况下，电容被用来退耦。膜电容特别适合这种应用。因为直流支撑电容的主要标准是有效值电流的承受能力。这意味着直流支撑电容能够以有效值电流来设计。
以电车为例:
要求的数据:
工作电压: 120VDC
允许的纹波电压: 4VRMS
有效值电流: 80 ARMS @ 20 kHz
最小容值为
在膜电容中，很容易找到接近的容值。
与电解电容比较：
以每μF 20 mA为例，为了承受80A有效值电流， 最小容值为：
b)电网供电的电机驱动
直流母线电压波形:
容值的确定应从电网频率比逆变器频率低入手。
我们使用下述等式确定容值：
流过电容的有效值电流为（近似表示式），该电流没有考虑逆变器侧的电流
通过上述近似式， 我们能看出通过电容的有效值电流由负载功率，Umax 和 U ripple决定。
我们用一个具体的例子作解释
直流电压1000V
纹波电压200V
I rms ： (P=1MW) = 2468Arms
(P=500kW) = 1234Arms
(P=100kW) = 247Arms
将低频部分放大：
为了方便比较，我们选择电流承受能力为20mA每μF的电解电容。
情况一，功率1MW的情况：
考虑到0.2Arms/μF, 有效值电流为2468A时，需要的最小容值为123.4mF。
对应图中曲线的值，我们可以看到对频率低于100Hz的整流器，使用膜电容，该容值同样是需要的。
因此，对于三相，六整流管的整流器，频率为300Hz。我们可以看到对应1MW的曲线，需要18.5mF的容值。与电解电容相比，如使用膜电容方案，体积几乎可以缩小4倍，同时有更高的可靠型。
在更低功率的情况下，同样能够给出相同的结果, 对于10kW的功率，虽然容值变得很小，但是膜电容仍然是最好的解决方案。
甚至在100Hz整流器频率，只需要555μF的电容，供电电压与纹波电压仍然与前面相同。
过压设计:
现在我们来看轻型牵引的应用，如：地铁，轻轨，电车等。
直流支撑电压波形:
由于电能由吊线提供给机车，在集电弓架与吊线间会出现接触间断的现象。
在接触断开时，能量来自直流支撑电容，结果，电压降低。因此， 只要接触重新被建立， 过压将出现。
更糟的情况是 ΔV =吊线电压, 因为过压会达到额定电压的几乎2倍。
膜电容可以承受这种过压。
与电解电容相比：
电解电容可承受最大1.2倍的额定电压：
所以，电解电容可以承受的最低电压为：
需要四支450V的电解电容串联。
考虑部分从网上得到的数据，10mF的电解电容，体积为26升，最大有效值电流为220Arms。
而相同容值的膜电容，体积为25升，最大有效值电流可比500Arms还高。
另外，由于过压的出现，也出现了流过电容的峰值电流。
因此，我们必须计算因过压产生的能量
这种能量的计算也被用于端间短路放电的过程。.这样的放电会产生非常高的峰值电流与振铃，这是电解电容不能承受的。
电压的额定
对于要求高额定电压的场合，膜电容的解决方案无疑很有优势。
但如果要求高容值的场合，膜电容解决方案的竞争力就会减弱。的确，如果没有过压，有效值电流很低，同时需要大容值的场合，在900V以下的应用中，膜电容很难与电解电容竞争。
寿命的计算:
膜电容允许有很长的寿命期望，其寿命的长短由负载电压条件（工作电压）与热点温度决定。
对于直流滤波电容，其寿命符合下面的曲线：
我们可以从这些曲线中看出，在工作电压为额定电压并且热点温度为70°C的情况下，膜电容的设计寿命为100,000小时。
寿命结束的标准为2％的电容容值的减少。然而，这是寿命结束的理论值，因为，在到达该点以后，电容仍然能够使用。如果在应用中允许5%的容值减少，寿命将得到显著的增加。
热点温度由下述的表达式决定：
直流滤波的金属化膜电容– 应用中新的创新与优点
随着电力电子半导体技术的巨大进步，为了限制由于半导体变换电流产生的过压，要求直流支撑电容的杂散电感能够显著地降低。
膜电容技术提供了这种解决方案以应对这种要求。
AVX TPC 与它的客户紧密合作，开发出能够直接安装到IGBT模块的电容，使IGBT模块与电容间的母线排不再需要。
下面是这种设计的两个例子：
在上面的例子中，用电容自身的端头直接安装在IGBT模块上。
这种设计也考虑了一种非常重要的客户需求，要求设备不受环境的影响。
的确，膜电容的寿命基于其实际的应用条件，在标称的电气及环境条件以下，膜电容的寿命可以超过100000小时。
同时，为了达到电容的寿命期望，电容使用塑料壳或铝壳并被聚氨基甲酸乙酯树脂密封。使用这种树脂不仅能够保护电容不受环境的影响，同时也使电容符合机车NF F 16-101 和 NF F 16-102防火标准。
另外，这种树脂填充技术允许不同类型端头的使用，例如，下图所示的被绝缘片分开的长铜板端头的情况。但如果电容顶部是金属，这种类型的端头不可能使用。
低寿命期望的设计也可以提供，使用同样的技术，但通过增加电压梯度，同时也增加了电容的能量密度，即电容的体积也随之缩小。我们已经掌握了电容的老化规律，同时，我们也有相应的软件来响应客户的任何需求。
另一个重要的方面是通过内部安装方式的改进，使得我们能够提供具有很低杂散电感的电容。仅有一种非常特殊的技术能够被用来使杂散电感低于10nH，即使对大电容也是如此。结果，IGBT 退耦电容将不再需要，为客户节约了费用。
结论：
在介绍中，我们为工程师进行设计优化提供了技术参考。由于实际应用的情况不同，在设计中，仍然需要完整的计算。然而，如果设计要求为低电压，低有效值电流，无反向电压，同时也没有峰值电流，膜电容技术可能是不合适的。但如果应用中需要高电压，高有效值电流，有过压，反向电压，高峰值电流，同时还有长寿命的要求，那么，再没有比膜电容更好的选择了。(end)
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(投稿)
(7/24/2010) |
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