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新型电容的优势及未来前景
发布时间:2014-09-02 17:30:01 浏览:1651 次
 在过去20年中,金属化薄膜电容得到了长足的发展,电容的体积和重量减少3到4倍,技术也得到很大改善,薄膜电容具有的许多优势,使薄膜电容在DC滤波上用来替代电解电容是一个趋势,使用DC-LINK平滑滤波薄膜电容器,可以使薄膜电容比电解电容更加经济地覆盖600VDC以上的电压范围。
薄膜电容具有很多优势,使薄膜电容替代电解电容成为大功率电力电子设备市场的趋势,这些优势包括:
一、 承受高有效电流的能力,可达300mA/μF。
二、抗浪涌能力强,能承受1000V / 1S的浪涌电压1000次。
三、能承受脉冲宽度上升沿和下生沿比为1.2μs:50μs 或8μs:20 μs的2.5KV尖峰电压。
四、 承受高峰值电流能力,dv/dt达100V/μs,电感量小,充放电速度快。
五、耐压高,能承受1.5于额定电压的过压。
六、无极性,能长期承受反向脉冲电压。
七、介质损耗小,温度特性好,能在120℃下长期工作。
八、体积小,长寿命,没有酸污染。
九、 可长时间存储。
但是,这种替代并非等额容量替代,薄膜电容的容量只需电解电容的1/2~2/3容量。
薄膜电容与电解电容原理:
薄膜电容:对薄膜进行处理,使金属原子能够附在膜上。金属在真空下蒸发(对铝1200℃)浓缩到被处理过的膜表面(膜冷却到-25℃至-35℃)形成金属层,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,金属化膜的自愈效应是提高电压梯度的主要因素; 对于干式技术,在脉冲应用中,电压梯度能够达到500V/μm以上,在DC滤波的应用中,电压梯度能够达到200V/μm,由于电容是按照CEI1071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: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700V/μm。因此,对于900V(DC),需要1.2um的氧化铝厚度。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的容值系数为原来的一半。另外,与低电压电解电容的电解液传导率150Ωcm,高电压电解电容(500V)的电解液传导率达到5kΩcm,它的有效值电流被限制在的大约20mA/μF。由于上述原因,典型的电解电容的最大标称电压为500V,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,电容就会发生爆炸,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,允许承受最大的浪涌电压是VnDC1.1倍或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。
DC-link薄膜电实际容应用介绍:
当然,尽管薄膜电容技术有了长足的进展,但不是所有的领域都能替代电解电容,为了让使用者更好地理解,我们将介绍一些具体的例子,在这些例子里显示了薄膜电容优势。

主要应用于大功率三相供电的UPS电源、感应加热电源、逆变焊机电源。
C1为直流支撑滤波电容

在这种情况下,C1作为直流支撑滤波电容,其主要性能指标是耐峰值电压和有效值电流的承受能力,这就意味着直流支撑滤波电容能以峰值电压和有效电流来设计。
以20KW的感应加热电源为例:
要求的数据为:
工作电压:540VDC
允许高频纹波电压:10VRMS
允许低频纹波电压:120V
有效值电流:200A @ 20KHz
以使用电解电容为例:
考虑到电网30%的波动和IGBT关断时产生的反向脉冲电压(E=-L*di/dt),必须采用2个400VDC的电解电容串联起来使用,还必须并一个30μF左右的800VDC的金属化薄膜电容作为支撑和吸收高频反向脉冲电压用。
现用24个500μF/400VDC的电解电容串并成一个3000μF/800VDC的电容作为滤波电容,再并一个30μF/800VDC的金属化薄膜电容作吸收电容,产品体积为3升,安装麻烦,电源工作时用示波器检测到电容端电压波形:300Hz低频纹波电压主80V,20KHz的高频纹波电压为9V;工作10分钟后电解电容发热,温升达30℃,需加散热风扇散热。在这种工作环境下电解电容寿命不长,工作一段时间后电容容易发生漏液和击穿。
以一款产品的DC-LINK薄膜电容为例:
因为薄膜电容有耐压高、过有效电流能力强、无极性、能承受正向和反向高脉冲电压等特点,所以选用时只需考虑电容的电压和和使用时达到电源性能要求。
现用470μF/800VDC产品三只并联作直流支撑滤波电容,体积为2.9升,且安装简单,电源工作时用示波器检测到电容端电压波形:300Hz低频纹波电压主100V,20KHz的高频纹波电压为4V;工作30分钟后只有靠近IGBT的一只电容有微微发热,温升为5℃,不需加散热风扇散热。在这种工作环境下DC-LINK薄膜电容可以长时间工作,连续工作寿命达100000小时以上。
从以上实际应用中说明,因为DC-LINK薄膜电容具有耐压高、过有效电流能力强、无极性、能承受正向和反向高脉冲电压以及体积小寿命长等特点,可以广泛应用大功率三相供电的UPS电源、感应加热电源、逆变焊机电源、贮能焊机和电池动力车等需要高电压、高有效值电流、高过压、反向电压、高峰值电压、高峰值电流、同时还有长寿命的要求的电力电子设备中,以取代电解电容器,作平滑整流桥输出的低频电压、吸收来自逆变线路产生的高频纹波以及贮能支撑用。从容量替代去考虑,薄膜电容的容量只需电解电容的1/2~2/3容量就可以超过使用电解电容时的电性能指标。
DC-link使用注意事项:
平滑滤波时纹波峰电压值不超过200V。
IGBT开断的时候,反向浪涌 dv/dt不超过100V/μs,反向电压不超过300V。
IGBT导通的时的高频纹波电压≤100V
在桥式整流电路中,与IGBT使用最近电容的温升不应超过20℃。
在容量的选取考虑平滑滤波纹波电压和高频纹波电压的大小。
要考虑过有效电流能力和过脉冲电流冲击能力。
在使用膜电容时注意:1:不能在有正负极的交流电压场合使用 2:DT(温升)要控制。(电源网原创)

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