薄膜電容器與應用,1,薄膜電容器,1876年英國D.斐茨杰拉德發明紙介電容器。這就是薄膜電容器的始祖。有機介質由于其性能優異而大量應用。有機介質可以分為聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚砜、聚苯硫醚、漆膜等。對于電力電子線路來說，應用最多的是聚酯電容器、聚丙烯電容器。,2,薄膜電容器的特點,無極性ESR極低允許比較高的電流流過工作電壓可以很高溫度范圍寬基本上無壽命限制金屬化電極具有自愈功能,3,薄膜電容器的基本參數,額定直流電壓、額定交流電壓電容量ESR、ESLdv/dt、有效值電流、峰值電流工作溫度,4,額定直流電壓、額定交流電壓,額定直流電壓：是在整個溫度范圍內允許持續施加的直流電壓。試驗電壓：電容器出廠前形式試驗時對電容器施加的電壓，一般在1.52倍，持續時間2分鐘或500小時。介電強度：電容器的介質所能承受的電壓，這個電壓高于試驗電壓。額定交流電壓：電容器工作在交流電壓下可以連續施加的交流電壓有效值。,5,額定交流電壓與額定直流電壓關系,在一般情況下，額定交流電壓與額定直流電壓關系為：,6,電容器的交流電壓與頻率的關系,當交流電的頻率很低時，流過電容器的電流也很低，這是電容器所允許施加的交流電壓為額定交流電壓。隨著頻率的升高，流過電容器的電流增加。當流過電容器的電流達到電容器的額定電流時，將不允許繼續增加電流。為了限制電流，需要電壓降額。隨著頻率繼續升高，電容器的介質損耗上升，由于電容器所允許的損耗為一定值，介質損耗增加，將要求ESR損耗降低，也就是說要進一步降低電流有效值，來保證電容器的損耗為額定值。,7,電容器的電壓與頻率的關系,電容器可承受的交流電壓、電流與頻率的關系,8,薄膜電容器電壓與頻率的關系,當頻率升高到一定程度時，薄膜電容器允許施加的電壓將隨頻率的升高而降低。,9,薄膜電容器電壓與溫度的關系,薄膜電容器在不同溫度下可承受的交流電壓,10,電容量的變化與溫度的關系,11,ESR、ESL與阻抗頻率特性,12,dv/dt、峰值電流、有效值電流,電容器的電流與dv/dt的關系：當dv/dt為峰值時，對應的電流為峰值電流。電容器允許的有效值電流受流過的電流在ESR上的損耗限制,13,工作溫度,不同的介質，電容器的最高工作溫度不同。一般來說，聚酯電容器的最高工作溫度為+125；聚丙烯電容器多為+85。,14,損耗因數與頻率的關系,15,損耗因數與溫度的關系,16,應用薄膜電容器需要注意的問題,應用條件：工作電壓狀態電壓變化速率流過電容器的有效值電流與峰值電流,17,薄膜電容器在電力電子線路中的主要作用,旁路緩沖與箝位諧振平滑與直流支撐急劇放電電源電磁干擾抑制,18,薄膜電容器用作旁路,目的：降低直流母線阻抗；吸收來自負載的紋波電流，抑制直流母線電壓因負載突變而出現的波動。,19,薄膜電容器用于直流母線旁路,20,對性能的要求,盡可能低的ESR滿足要求的電容量滿足要求的額定有效值電流和峰值電流,21,薄膜電容器用作緩沖與箝位,目的對性能的要求,22,電容器用于箝位,23,電容器作為緩沖電容器,24,電容器用于準諧振與有源箝位,25,薄膜電容器用于諧振式變換器,目的：與電感共同實現諧振功能對性能的要求：在相應頻率下更夠承受足夠的交流電壓、電流,26,諧振式變換器電路,LLC諧振式變換器特點：低噪聲,27,諧振式變換器,諧振式高頻感應加熱功率變換器,28,29,中頻感應加熱功率變換器,電路詳見電力電子技術教材特點：為了降低成本、高輸出功率，晶閘管逆變器為了獲得更高的負載電流，采用并聯諧振方式電容器的電流接近于負載電流,30,中頻感應加熱電容器,特點：電容量大無功功率高大電流需要水冷,31,薄膜電容器實現平滑與直流支撐功能,目的：平滑整流后直流電壓旁路（吸收）逆變器的紋波電流，改善直流母線電壓質量,32,對性能的要求,膜電容特別適合這種應用。因為直流支撐電容的主要標準是有效值電流的承受能力。這意味著直流支撐電容能夠以有效值電流來設計,33,實例,以電瓶車為例，要求的數據工作電壓:120VDC允許的紋波電壓:4VRMS有效值電流:80ARMS20kHz最小容值為在膜電容中，很容易找到接近的容值。,34,如果采用鋁電解電容器,與電解電容比較：以每F20mA為例，為了承受80A有效值電流，最小容值實際上可能需要兩只4000F的電解電容器并聯,35,電容器在電網供電時平滑與旁路作用,36,實例,容值的確定應從電網頻率比逆變器頻率低入手。使用下述等式確定容值：流過電容的有效值電流為（近似表示式），該電流沒有考慮逆變器側的電流,37,如果直流電壓1000V，紋波電壓200V,Irms：(P=1MW)=2468Arms(P=500kW)=1234Arms(P=100kW)=247Arms,38,頻率與電容量的關系,39,頻率與電容來的關系低頻部分,40,對電容量的要求（1）,為了方便比較，我們選擇電流承受能力為20mA每F的電解電容考慮到0.2Arms/F,有效值電流為2468A時，需要的最小容值為123.4mF。對應圖中曲線的值，我們可以看到對頻率低于100Hz的整流器，使用膜電容，該容值同樣是需要的。,41,對電容量的要求（2）,因此，對于三相，六整流管的整流器，頻率為。我們可以看到對應1MW的曲線，需要18.5mF的容值。與電解電容相比，如使用膜電容方案，體積幾乎可以縮小4倍，同時有更高的可靠型。,42,比較低的功率情況,在更低功率的情況下，同樣能夠給出相同的結果,對于10kW的功率，雖然容值變得很小，但是膜電容仍然是最好的解決方案。甚至在100Hz整流器頻率，只需要555F的電容，供電電壓與紋波電壓仍然與前面相同。,43,10kW逆變器對電容量的要求與頻率的關系,44,濾波與平滑用薄膜電容器,濾波與平滑用電容器是用來平滑整流器輸出的電壓、電流，在電壓低于450V時通常應用價格低廉的鋁電解電容器，當電壓高于500V低于700V時仍可以應用鋁電解電容器串聯的方式，但是在需要高可靠的場合與電壓高于1000V或更高時則應用薄膜電容器作為濾波電容器為好。,45,薄膜電容器作為濾波電容器的應用實例,46,薄膜電容器作為濾波電容器,47,薄膜電容器作為濾波電容器,48,薄膜電容器作為濾波電容器電極結構,安全要求：即使局部擊穿也不會造成整個電容器的短路。如圖電極結構可以在電容器的某一部分擊穿是利用熔斷電極狹窄部分切斷與整體的聯系。,49,B25645-A4180-J*-1的額定參數：,額定電容量（CN）：1000F5%，額定電壓（UN）：DC400V，儲能（WN）：80WS，最大紋波電流有效值（Imax）：60A，寄生電感（Lself）：5nH，損耗因數（tan0）：5010-4，ESR：0.9m；最大參數：浪涌電壓（US）：450V，浪涌電流（IS）：5kA，（du/dt）S：5V/s；測試參數：（UTT）DC550V，10秒，絕緣電阻（RisC）：10000秒，損耗角正切（50Hz）：6010-4。,50,B25655-A1148-K000的額定參數：,額定電容量（CN）：1450F10%，額定電壓（UN）：DC1250V，交流輸入電壓（Ui）：1100V，儲能（WN）：1100Ws，最大紋波電流有效值（Imax）：135A，寄生電感（Lself）：40nH，損耗因數（tan0）：210-4，ESR：0.8m；最大參數：交流輸入浪涌電壓（U）：1500V，浪涌電壓（US）：1900V，交流輸入浪涌電流（I）：2kA，浪涌電流（IS）：20kA，（du/dt）max：1V/s，（du/dt）S：14V/s；測試參數：（UTT）DC1900V，10秒，（UTC）DC3500V，10秒，絕緣電阻（RisC）：10000秒，損耗角正切（50Hz）：1010-4。,51,薄膜電容器與電解電容器性能對比,從上述兩電容器的參數可以明顯看到：與鋁電解電容器相比，ESR、最大有效值電流、寄生電感、浪涌電壓/額定電壓的比值、浪涌電流均明顯優于鋁電解電容器，還有一個重要因素就是薄膜電容器的壽命是鋁電解電容器所無法相比的。,52,變頻器/逆變器用濾波電容器安裝結構對比分析,簡單經濟的安裝方式可以是采用導線連接方式，常見于早期變頻器/逆變器。現在比較常見的是整流器、整流濾波電容器與逆變器之間采用銅板連接。對于采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器的安裝結構更是尤為重要，必須采用“功率PCB”的方式，其目的就是使直流母線的寄生電感最小化。,53,用鋁電解電容器濾波的變頻器的結構圖,54,變頻器專用薄膜濾波電容器構成的變頻器的結構圖,55,EPCOS的B25645-A4180-J*-1變頻器專用薄膜濾波電容器的結構,56,對比結果,通過兩圖比較可以看到，采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器結構相對簡單。結構簡單的一個最大好處之一就是母線寄生電感更低，因為變頻器專用電容器模塊可以直接裝在母線板上，這樣所產生的寄生電感將明顯小于裝在散熱器旁邊的鋁電解電容器用銅板或母線連接到IGBT的方式。,57,薄膜電容器的優勢,綜上所述，采用薄膜電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器不僅可以大大提高變頻器/逆變器的應用壽命，避免更換濾波電容器之苦和付出的成本代價，同時由于薄膜電容器的低ESR使你便電路中的開關管上的電壓應力大大減小，有利于開關管的工作狀態與可靠性。,58,直流支撐電容器在直流鏈電路中的作用,在旁路逆變器紋波電流的同時，還要抑制來自于直流練得上電過電壓主要應用：輕型牽引的應用，如：地鐵，輕軌，電車等,59,薄膜電容器作為直流支撐電容器,輕型牽引的應用，如：地鐵，輕軌，電車等,60,直流支撐電壓波形,在接觸斷開時，能量來自直流支撐電容，結果，電壓降低。因此，只要接觸重新被建立過壓將出現。,61,情況分析,更糟的情況是過壓會達到額定電壓的幾乎2倍。電解電容可承受最大1.2倍的額定電壓。所以，電解電容可以承受的最低電壓為：2X1000V/1.2=1670V需要四支450V的電解電容串聯。膜電容可以承受這種過壓。考慮部分從網上得到的數據，10mF的電解電容，體積為26升，最大有效值電流為20Arms。而相同容值的膜電容，體積為25升，最大有效值電流可比500Arms還高。,62,壽命計算:,膜電容允許有很長的壽命期望，其壽命的長短由負載電壓條件（工作電壓）與熱點溫度決定。對于直流濾波電容，其壽命符合下面的曲線：,63,聚丙烯薄膜電容器壽命與工作電壓的關系,64,在實際應用中，鋁電解電容器的壽命是無法同薄膜電容器相比的。,65,薄膜電容器用于急劇放電,目的：可以用于直流脈沖電容器應用于脈沖發生器，充磁、退磁機，激光電源，醫用器械，儲能焊接等領域中。對性能的要求：高電壓、高儲能、高放電電流。,66,儲能電容器的性能,電容器用于放電應用通常是能夠提供非常高的放電電流和高儲能，如我國的九方合榮生產的脈沖電容器的放電電流可達12.5kA！儲能750焦耳（這個數值大約為5000法拉超級電容器的1/50，但是超級電容器由于ESR還是較大，釋放不了這么大的電流）。可以用于直流脈沖電容器應用于脈沖發生器，充磁、退磁機，激光電源，醫用器械，儲能焊接等領域中。,67,薄膜電容器用于輸出整流濾波,薄膜電容器由于其ESR極低和優異的可靠性，在高可靠性的大功率開關電源的輸出整流濾波應用將是一個不錯的選擇。,68,特點,ESR極低，據測試，80F/30V的薄膜電容器的ESR僅僅幾個！可以流過很大的電流，電容器的電極或者用銅板，或者用多個引腳引出。寄生電感極低。特別是用于100kHz以上開關頻率、輸出電壓比較高，如24V以上的大功率開關電源,69,耦合與隔直,在開關電源、電子鎮流器中，由于逆變器是半橋電路結構，而變壓器、熒光燈僅能接受交流電，因此需要將交流成分耦合過去，隔離其直流成分。承擔這種耦合作用的電容器不僅需要具有足夠的直流電壓承受能力，還要能通過比較大的交流電流，盡管這個電流小于流過諧振電容器電流。,70,性能要求,除了電壓要求、電流要求外，這種耦合常需要耦合電容器在開關周期的負半周向負載提供電能。因此，需要耦合電容器具有滿足需要的電容量。在實際應用中，一般的薄膜電容器均可以滿足要求。,71,電源電磁干擾的抑制,大部分的電磁干擾來自電源由于電源電磁干擾抑制電容器接在交流電源側，隨時可能受到來自電源的浪涌電壓、瞬時過電壓的沖擊，電源電磁干擾抑制電容器必須能夠承受住這些沖擊。,72,抑制電源電磁干擾用電容器主要用于“電氣和電子設備，并跨接到電源線，且電源線之間的電壓不超過500V直流或交流有效值，或任意電源線與地之間的電壓不超過250V直流或交流有效值，頻率不超過100Hz”。其作用降低電氣、電子設備或其他干擾源產生的電磁干擾。,73,抑制電源電磁干擾用電容器分類,抑制電源電磁干擾用電容器一般分為兩類：跨接電源線的X類抑制電磁干擾用的X類電容器（capacitorofclassX）和跨接電源線與于地之間的Y類抑制電磁干擾用的Y類電容器（capacitorofclassY）。可見無論是X類電容器還是Y類電容器都必須滿足電器安全規則，所以X類電容器還是Y類電容器均稱謂安規電容器，特別是Y類電容器還要確保電氣安全中的人身安全，因此，X類電容器和Y類電容器均須通過電氣安全測試。,74,X類電容器,對于X類電容器適用于在電容器失效時不會導致電擊危險的場合，如跨接電源線兩端。X類電容器按迭加到電源電壓上的峰值脈沖電壓（在使用中可能承受的）大小可分為三類：X1、X2和X3。這個脈沖電壓可以是由于外部線路受到雷擊而引起，也可以是由于開關相鄰設備而引起，也可以是由于開關使用電容器的設備而引起。跨接電源線間的脈沖電壓相對電源線與地線之間的脈沖電壓低。,75,X類電容器的耐久性試驗前施加的峰值脈沖電壓UP,76,Y類電容器,而Y類電容器適用于在電容器失效時會導致電擊危險的場合，如跨接電源線與于地之間，這就要求Y類電容器能夠承受更高的脈沖測試電壓的沖擊測試。Y類電容器根據不同的應用電源電壓分為：（額定電壓250V）的雙重絕緣或增強絕緣：Y1；（150V額定電壓250V）的基本絕緣或輔助絕緣：Y2；（150V額定電壓250V）的基本絕緣或輔助絕緣：Y3和（額定電壓150V）的基本絕緣或輔助絕緣：Y4，共四個子類。Y2與Y3不同之處見下表,77,Y類電容器的耐久性試驗前施加的峰值脈沖電壓UP,78,實驗電壓波形,79,等價原則,一個Y類電容器可以跨接基本絕緣，也可以跨接輔助絕緣。如果用兩個Y2類、Y3類或Y4類電容器串聯組合跨接基本和輔助絕緣，則這些電容器應有相同的標稱值。,80,峰值脈沖電壓測試,X類電容器和Y類電容器的耐久性試驗前施加的峰值脈沖電壓測試波形,81,峰值脈沖電壓測試波形,82,耐電壓測試,耐電壓測試是X類和Y類電容器電氣安全性的必測項目之一，主要是考察電容器在浪涌過電壓時能否經得住沖擊，X類和Y類電容器的耐久性測試電壓值如下表。其測試條件分為直流試驗和交流試驗，其中交流施壓的條件為：施加50或60Hz電壓，以不超過150V/s的速率從零升高到試驗電壓，試驗電壓時間應從達到試驗電壓值時開始計算，在試驗結束時，試驗電壓應減少至接近零，并且電容器通過一個適當的電阻放電。應注意的是，由用戶進行的重復耐電壓試驗可能會損壞電容器。,83,電容器耐電壓測試的測試電壓,84,耐久性測試,耐久性測試時電容器應在上限類別溫度和1.7UR的電壓下承受1000小時的那久性試驗，在試驗中每隔一小時應將電壓升高到1000V（有效值），持續0.1秒。該試驗應分別通過一個475%的電阻施加到每個電容器上。,85,耐久性測試電路與波形,86,自燃性試驗,自燃性試驗是電容器在受到迭加在基波交流電壓上的隨機非同步的高壓脈沖沖擊時能否自燃的試驗電壓波形如下圖。測試的基波交流電壓有效值為UR5%，所施加的高壓脈沖的峰值為：Y2為5kV+7%、X1為4kV+7%，X2、Y3、Y4為：2.5kV+7%、X3為：1.2kV+7%。每個樣品共接受20次這樣電壓的沖擊。,87,電容器自燃性的試驗電壓波形,88,各國的電氣安全認可,發達國家對電氣安全都有嚴格的認證，對于通過認證的電氣產品均加有改過電氣認證的圖標。因此，無論是X類電容器還是Y類電容器，在電容器上均必須印有已通過的電氣安全認證的圖標。,89,抑制電源電磁干擾用電容器的連接方式,90,抑制電源電磁干擾用電容器的連接方式,91,抑制電源電磁干擾用電容器的連接方式,92,抑制電源電磁干擾用電容器的特性與主要參數,抑制電源電磁干擾用電容器的作用是抑制來自于電氣、電子設備或其他干擾源產生的電磁干擾，不僅要滿足電氣安全標準，還要滿足于制電源電磁干擾的作用。由于電磁干擾的頻譜非常寬，所以抑制電源電磁干擾用電容器應具有“高頻”電容器的特性；不僅如此，抑制電源電磁干擾用電容器還要有效的將電磁干擾“全部”或大部分從電容器中分流掉，這樣抑制電源電磁干擾用電容器還要像濾波/旁路電容器那樣具有非常低的ESR；當抑制電源電磁干擾用電容器受到電磁干擾特別是浪涌電壓和瞬態過電壓的沖擊時抑制電源電磁干擾用電容器還要像緩沖電容器那樣緩沖這個電壓瞬變的沖擊還要耐受高dv/dt（高電流脈沖）的沖擊，這