电容器的种类有很多,从材料上可分为:CBB电容器、涤纶电容器、瓷片电容器、云母电容器、独石电容器、电解电容器、钽电容器等。一般情况下,前面几种材料电容器的容值较小,多在lμF以下;电解电容器的容值一般都很大,从1μF ~10000μF不等;钽电容器的容值也较大,并有较好的高频特性。
用于功率主电路中的电容器主要有:电解电容器、膜电容器和超级电容器。常见的厂商有南通江海电容器股份有限公司、厦门法拉电子股份有限公司、上海奥威科技开发有限公司、美国MAX-WELL公司等。
1.电解电容器
电解电容器的容值较大,耐压较高(较为常见的达到450V),在主电路中多数场合下作为储能与低频滤波元件。滤波电容器的选取需综合考虑电容器的纹波电流、电容器容量、寿命、工作温度范围以及布置安装空间等因素。由于电解电容器的等效电感(ESL) 和等效电阻(ESR) 的存在,使得电解电容器在高频状态下的等效电容量迅速下降,严重时会明显影响电力电子装置的性能。同时,高频下电解电容器的纹波电流在等效电阻作用下的发热和对电解电容器寿命的影响变得不容忽视。
电力电子装置中滤波电容器的选择主要考虑以下三方面的因素:①能满足期望的纹波电压的电容值;②电容器的额定电压;③电容器的额定纹波电流。基于对纹波电流与电解电容器发热量和寿命关系的分析,纹波电流对滤波电容器容量的选取起到关键的约束作用。根据纹波电流最大允许值计算滤波电容器容量为
式中,▲U。为滤波电容器设计的纹波电压峰值(V); ▲Ic为电容器上的最大纹波电流值(A),通常最大纹波电流随着电容器容量的增加和表面积的增加而增大;f为滤波电容器的工作频率(Hz);K1为工作频率增加时纹波电流系数,例如当工作频率超过10kHz时,可取k1=1.4;K2为相对于最高工作温度的纹波电流系数,最高温度为105摄氏度的电解电容器,正常工作温度为80摄氏度时,可取K2=2.0。
2.膜电容器
为进一步降低变流器的体积和重量,适应宽电压范围、大功率应用需求,通常需要一个紧凑、低损耗、高性价比的大容量电容器,例如工作直流电压可达DC1000V,容量值可达3000uF。电解电容器额定电压低于500V,且在一定的 布置空间内,交流容量比较有限,难以满足上述需求。膜电容器的电压标准可达到DC1000V以上,使用温度达到125摄氏度,并最大化了体积填充系数,比较适合上述工况的应用。薄膜电容器替代电解电容器的典型应用是丰田普锐斯混合动力系统。普锐斯I使用的滤波电容器是电解电容器,普锐斯II开始使用薄膜滤波电容器组,如图所示
膜电容器生产工艺(超薄金属化薄膜蒸馏技术、安全膜技术、波浪边分切技术等)不仅使电容器的额定电压提高到150V/μm以上,额定温度提高到105摄氏度,还可改善电容器本身的防潮性、抗温度冲击能力。与电解电容器比较,薄膜电容器具有以下优点
1)良好的温度特性。直流链接环节薄膜电容器采用的高温聚丙烯薄膜,具有聚酯薄膜和电解电容器没有的温度稳定性。
2)可承受反向电压。如果超过1.5倍Un的反向电压被加在电解电容器上时,会引起电容器内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间,电容器会发生爆炸,或者随着电容器内部压力的释放电解液会流出。而膜电容器由于其自身无极性,可以承受双向电压冲击,可靠性更高。
3)抗脉冲电压能力强。膜电容器的耐冲击电压大于1.5Un,而电解电容器的抗脉冲电压
4)干式设计。没有电解液泄露的问题,没有酸污染。
5))ESR(等效电阻)低,耐纹波电流能力强。膜电容器的纹波电流能力可达到200mA/uF,而电解电容器的纹波电流能力仅为20mA/μF,膜电容器的这个特点能大大减小系统所需要的电容器容量。
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