为电源转换电路选择薄膜hove或者电解电容器

winniewei 提交于 周五, 07/27/2018
为电源转换电路选择薄膜hove或者电解电容器

作者贸泽电子Rudy Ramos

电容器可用于提供重要的穿越(ride-through)(或保持)能量,或用于减小电源转换电路中的纹波及噪声。选择正确类型的电容器可能会对系统的总体尺寸、成本和性能产生深远的影响。本文将讨论一些常见应用中薄膜和电解电容器的优势。

薄膜和电解电容器:基本比较

薄膜电容器具有低的等效串联电阻(ESR),因而具有良好的纹波电流处理能力以及高浪涌电压额定值和自愈性能,是电动汽车、可再生能源、以及工业驱动器等重要应用中许多功率调节任务的强有力竞争者。薄膜电容器特别适用于不需要保持(或穿越)的场合,例如在停电或线路频率波动峰值之间,需要在高可靠性和低损耗前提下提供或吸收大的高频纹波电流。

薄膜电容器也非常适合运行在高直流总线电压的应用,以最大限度地减少电阻损耗。由于铝电解电容器只能提供额定值高达约550V的电压,因此工作在更高电压下的应用需要将多个器件串联,之后有必要通过选择具有匹配值的电容器来防止电压不平衡,这种方法既昂贵又耗时;或者增加电压平衡电阻器,这会增大额外的能量损失和BOM成本。

另一方面,当纯粹的能量储存密度(焦耳/厘米3)是关注的主要参数时,铝电解电容仍然是一个强有力的选择对象。其中一个例子就是商用化的离线电源,它需要经济高效的大容量能量存储以便在停电时保持直流输出电压,而无需备用电池。适当降低额定值可以减少铝电解电容的寿命和可靠性等问题。

然而,事实上铝电解电容器只能承受20%左右的过电压,如果再有更高的过压,就会发生损坏,而薄膜电容器在短时间内可承受高达约两倍额定电压的过压。正如在实际应用中通常遇到的情况那样,自我修复能力可确保对偶然的过压做出更安全的反应。此外,薄膜电容器可以实现更容易的连接和安装,并且由于是非极化产品,因此不会出现反向连接错误。它们通常封装在绝缘的、在体积方面非常高效的长方形“盒子”外壳内,可进行螺丝端子、接线片、“fastons”快接或总线排(bus bars)等各种电气连接。

表1比较了常用薄膜电容器类型的特性。聚酯类可在低电压下使用,而聚丙烯由于其低损耗因数(DF)和单位厚度的高介电击穿能力,因此通常在高应力下表现出最低的损耗和最高的可靠性。DF相对比较稳定,不随温度和频率有很大变化。 分段高结晶金属化聚丙烯也可采用,并且能提供与铝电解电容相当的能量密度。

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表1:常用薄膜电容器类型及其特性。

(https://en.wikipedia.org/wiki/Film_capacitor)

选择合适的电容器

通过分析一些常见的电源转换电路可以显示选择不同的电容器技术如何会深度影响系统的尺寸、重量和成本,同时取决于电容是否需要用于储能或处理波纹噪声。

例如,对于用作1kW离线转换器的大容量电容,通过比较电解电容器和薄膜电容器可以清楚地说明这两种类型电容器之间的特性差异。 如图1所示,该转换器具有功率因数校正前端,且具有400V的标称直流总线电压(Vn)。

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图1:电容器用作停电穿越的能量存储。

假设效率为90%,并且电压降(Vd)为300V,低于该值,将会失去输出调节功能。如果发生停电,当总线电压从400V降至300V时,大容量电容器C1提供能量以保持恒定的输出功率。 我们可以计算在电压降至300V以下之前要进行20ms穿越所需的C1值:

Po.tη=12CVn2-Vd2 或者 C=2 x 1000 x 0.020.9 x (4002-3002)=634µF 450V额定值下 

TDK-EPCOS B43508系列的680μF 450V铝电解电容器其尺寸为直径35mm x 55mm,满足总体积为53cm3(约3立方英寸)的要求。

相比之下,使用薄膜电容器解决方案会导致不切实际的大体积:可能需要并联多达15个TDK-EPCOS B32678薄膜电容器,从而导致1500cm3(91立方英寸)的总体积。

如果仅需要电容器来控制电动汽车动力系统等直流线路上的纹波电压,则在选择电容器时将会呈现显著不同。 总线电压可能与以前一样为400V,但由采用电池供电,因此不存在穿越需求。在下游转换器以20kHz的开关频率提取80Arms脉冲电流时,将纹波限制在4Vrms以内是非常现实的, 所需的电容是:

C=irmsVripple.2.π.f=804 x 2 x 3.14 x 20 x 1000=160µF at 450V额定电压

TDK-EPCOS B43508系列的180μF450V电解电容在60°C时的纹波电流额定值约为3.5Arms,这其中包括了频率校正。处理80A的电流需要并联23个电容器,将导致不必要的4140μF大电容和约为1200cm3(73立方英寸)的总体积。这与电解电容纹波电流额定值的20mA /μF经验法则一致。

使用TDK-EPCOS B32678系列薄膜电容器,只用四个器件并联就可以达到132Arms的纹波电流额定值,体积只有402cm3(24.5立方英寸)。此外,如果环境温度可以保持在70°C以下,可以选择尺寸更小的电容器。

还有其他一些原因使得薄膜电容器成为最佳选择。多个电解电容器的并联导致过大电容,可能出现控制浪涌电流中的能量等问题。此外,在电动汽车等轻载牵引应用中直流连接瞬态过压的情况很常见,薄膜电容器的表现更为稳健。

类似的分析也适合于UPS系统、风力或太阳能发电机的功率调节、通用并网逆变器和焊机等应用。

作为首选的薄膜电容器

薄膜或电解电容器的相对成本可以从大容量存储或处理波纹能力角度进行分析。如表2汇总的结果所示,2013年公布的数据1比较了由整流440VAC电源供电的直流总线典型成本:

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表2:薄膜和电解电容器的成本比较。

考虑到上述分析,薄膜电容器是去耦、开关缓冲和EMI抑制或逆变器输出等滤波应用的绝佳选择。

配置在逆变器或转换器直流总线上的去耦电容器为高频电流循环提供一个低电感路径。 经验法则是每100A开关使用大约1μF电容,值得注意的是,与电容器的连接应尽可能短以避免产生瞬态电压。在电流很大且频率较高时,1000A/μs的变化幅度都是可能的,考虑到PCB走线可能具有约1nH / mm的电感,根据以下等式,每毫米可以产生1V的瞬态电压:

Vtr=-Ldidt

在开关缓冲电路中,电容器与电阻/二极管组合串联,并通过电源开关(通常为IGBT或MOSFET)连接,以控制dV/dt,如图2所示。

图2:IGBT或MOSFET的开关缓冲。

图2:IGBT或MOSFET的开关缓冲。

缓冲电容能够减低振铃,可控制EMI,还可以防止虚假开启/关闭。缓冲电容的大小通常是要选择大约是开关输出电容和安装电容总和的两倍,电阻值的选择以能够阻止所有振铃为标准。

EMI抑制

如图3所示,薄膜电容器利用其自恢复和瞬态过压能力,也可理想地用作X型和Y型电容器,分别降低差分模式和共模噪声。安全级别的X1(4kV)或X2(2.5kV)电容器通过电源线连接,通常为聚丙烯类型,电容值通常为几个μF,需要符合所适用的EMC标准。

具有低连接电感的Y型电容器处在输入线对地连接的位置。在这里, Y1或Y2电容器的额定瞬态电压分别为8kV和5kV,如图所示处在输入线对地连接。针对漏电流的考虑限制了可以施加的电容量,虽然薄膜电容器的低连接电感有助于保持较高的自共振,但应保持外部接地系统较短。

图3:用于EMI抑制的X型和Y型电容。

图3:用于EMI抑制的X型和Y型电容。

逆变器输出滤波

非极化薄膜电容器与串联电感通常可集成在单个模块内,这样可构成低通滤波器,用于衰减驱动器和逆变器交流输出中的高频谐波(如图4)。这些越来越多地用于满足系统EMC要求,并减小电缆和电机上与dV/dt相关的应力,特别是在负载远离驱动单元时的情况。

图4:电机驱动EMC滤波中的薄膜电容器。

图4:电机驱动EMC滤波中的薄膜电容器。

结论

对于电源转换应用,通过了解电解电容器和薄膜电容器的相对优势,能够帮助设计人员为实现最佳的整体尺寸、重量和BOM成本做出正确选择。可以简单总结如下:

电解电容器:

  • 具有更高的储能密度(焦耳/厘米3
  • 用于直流总线电压的“直通”大容量电容时成本较低
  • 在较高温度下维持纹波电流额定值

薄膜电容器:

  • 较低的ESR可实现出色的纹波处理
  • 更高的浪涌电压额定值
  • 自我修复提高了系统的可靠性和使用寿命

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