电力电子行业金属化薄膜电容

2019-12-03 09:32:27 bqg52503721 6

现代工业领域的电力电子对元器件的选择有了更高的要求,无论是电气特性方面还是环境的操作条件的要求。电容器也不例外,产品的可靠性越来越成为关键。在电力电子应用中,薄膜电容器比其他电容器更具有优势。

薄膜电容以其优越的电性能在高压高频大功率电力电子设备中得以广泛应用,特别在 DC-LINK 这个应用场合,薄膜电容与电解电容相比较具有高纹波电流承受能力、耐高压、低 ESR 和 ESL、长寿命、 (干式防爆)、无极性和高频特性好等优越的电气性能,在高压大功率电力电子设备中DC-LINK应用薄膜电容替代电解电容是一种趋势。

薄膜电容的优势

• 1.承受高有效电流的能力,最高可达1Arms/μF。

• 2.抗浪涌能力强,能承受2UnV 的浪涌电压

• 3.承受高峰值的电流能力,dv/dt高达100V/μs, ESL电感量小,充放电速度快。

• 4.耐压高,能承受1.5倍于额定电压的过压。

• 5.无极性,能长期承受反向脉冲电压。

• 6.介质损耗小 ,ESR小,产品内部温升低,温度特性好。

• 7.体积小,长寿命,没有酸污染。

• 8.可长时间存储。

• 9. 替代电解并非等额容量替代,而是功能上的替代,根据不同的要求确定容量。

薄膜电容的发展趋势 (针对DC-LINK)
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。

1、干式替代油浸式

油浸式电容因为将油浸渍到薄膜里面(1200V以上的电容更加),当电容发生漏液或者油发生老化时因油直接接触到薄膜及金属镀层电极,会对电容的性能产生影响,大大缩短了电容的寿命,而干式电容可以解决以上问题,而且减化了生产工艺,保证了产品的一致性。

2、电气防爆替代压力防爆

油浸式电容一般采用压力式防爆或采用内部串联熔丝的方式进行防爆,而现在国外干式薄膜电容一般采用更为先进的电气式防爆, 即采用网状安全膜,而电气式防爆比压力式防爆和内部串联熔丝防爆可靠性更高、防爆效果更好。

薄膜电容的关键材料

介质—塑料薄膜(如:聚丙烯(PP),聚酯(PET),聚碳酸酯(PC),聚苯硫醚,(PPS) ),塑料薄膜的性能直接影响到薄膜电容的寿命和电气性能,国内做 PP 薄膜最好的厂家和国外的高品质的 PP 薄膜(如德国的史泰拿、创斯普、法国的波洛莱和日本东丽等)差距还相当大,特别是影响电容寿命、耐压和高温特性的 PP 薄膜结晶度,国内厂家只能做到 60~65%结晶度,而国外的能达 75~80%的结晶度,并逐步在提高,这样如果用相同的厚度的薄膜、相同的工艺做的产品,国外的高品质膜会比国内最好的膜做的产品寿命长 50%、耐压高 30%以上。

薄膜电容的常用结构及分类

A. 内部结构分类

1 双面金属化膜,内部串联结构

2 单面金属化膜,内部串联结构

3 单面金属化膜,内部不串

4 单面金属化膜,网状安全结构

B.按外形结构分类

1 外包胶纸,轴向引出:引线,片,螺孔

2 标准塑料外壳封装,线/片引出

3 标准金属外壳,螺孔/螺杆引出

4 定制,异型外壳

C.按目标用途分类

Snubber(吸收)(PSD,PSC,PSM)

DC-link(直流滤波,直流链支撑)(PDP,PDF,PDE,PDB)

AC-filter(交流滤波,LC,)(PAF,PAR)

Resonant(谐振) (PSC,PGH)

Switching(开关)(PWH)

对薄膜电容和电解电容对比分析

1、电性能(从产品设计及结构上进行分析)

电解电容采用的是隐箔式有感卷绕结构,而薄膜电容采用的是金属化薄膜无感卷绕结构,如下图所示:

从上面的电解电容和薄膜电容的结构示意图可以看出:电解电容 属有感式卷绕,电流的流向路程远(等于电解铝箔的长度),造成电 解电容的 ESL 和 ESR 较大,所以在经受大的纹波电流时发热严重; 而薄膜电容采用的是无感式卷绕,电流的流向路程短(等于薄膜的宽 度),薄膜电容的 ESL 和 ESR 极小,所以能承受大的纹波电流而不发热。

2、寿命对比

电解电容的寿命一般只有 2000~3000 小时,而长寿命的也只 有 5000~6000 小时,而且容易发生漏液和存在保质期;而薄膜电 容寿命一般是 100000 小时以上,而且是干式和无保质期限;下面 是薄膜电容的寿命曲线图:

DC-LINK电容在电力电子设备中的功能和应用
薄膜电容在电力电子设备中的示意图

C1:直流链支撑(DC-Link)

C2:逆变回路中 IGBT、IPM 模块突波电压吸收

C3 : AC滤波电容,输出端高频纹波吸收

二、 C1:直流链支撑(DC-Link)

1.DC-LINK电容在电力电子设备中的功能主要是为后级逆变系统的功率器件开通瞬间提供有效值和幅值很高的脉动电流

2.功能替代的理论分析(容量选择方法分析)

高频纹波电压计算方法:E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2

其中:E 为每次 IGBT 导通时所需能量,U 为电容导通前的电压, △U 为纹波电压的峰峰值,C 为电容容量。

E 的一般理论计算方法(每 KW 所需平均能量):

E=3600000/3600/f=1000/f(其中 f 为 PWM载波频率 )

以 f=2KHz 为例,E=0.5J,假如直流母线电压 U=1000V 时,要求高频纹波电压△U 为 2%(即△U=20V),根据 E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2 可以算出 C=25.25μ F,同时用IGBT整流的风电变流器,整流侧能提供50%以上的能量,

所以可以得出,每KW功率机器所需DC-LINK电容的容量为12.5μF以上即可满足要求,实际应用时留点余量,所以我们推荐是15~25μF/KW。纹波电流在我们的计算中不作考虑,因为薄膜电容的纹波电流承受能力完全可以满足要求。

例如,2MW/690VAC的风电变流器,以每KW功率需DC-LINK电容的容量为17.5μF,那么2MW要的总DC-LINK电容的容量为35000μF。

二、C2:逆变回路中 IGBT、IPM 模块突波电压吸收

IGBT保护电容主要是用来缓冲IBGT开关时产生的高脉冲电压和电流;

IGBT保护电容有如下特点:特高的Du/dt、大电流、高频特性好、自愈性、极小的ESR、无感结构。

电压选择:跟据客户IGBT电压等级来选择,电容额定电压一般不低于IGBT电压等级。

容量选择:容量为:IGBT实际工作电流每100A使用容量大约1UF。

三、C3:AC滤波电容:在变流器中的功能主要是滤除IGBT逆变器产生的高频纹波,使变流器并网时有一个符合要求的正弦波电压。

电压选择:跟据客户的变流器输出电压来选择,电容额定电压不低于客户使用电压。

容量选择:根据客户要求;一般选择容量时,符合滤波电容和电感的谐振点在载波频率的1/4~1/5的条件时,滤波效果较好。

主要目标行业

1.混合动力汽车变频器

2.静止无功发生器

3.风力发电变频器

4.太阳能发电逆变器

5.高压变频器

其他行业

高频开关电源、通用变频器、UPS/EPS、感应加热电源、逆变焊机、逆变电源、GTO钳位与吸收 ,有源电力滤波器,LC滤波 (单相,三相Y/△)

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