第十九章 薄膜电容替代电解电容技术知识.ppt

薄膜电容替代铝电解电容 陈刚 晶川电子技术市场部 2012.07.21 薄膜电容的特点介绍 更薄薄膜材料的出现使得金属膜电容的体积和重量减小了3~4倍；此外，干式设计，是膜电容更加经济的可以覆盖600V~1200VDC的电压范围内使用，当电压超过1200VDC以上时，填充菜籽油或者蓖麻油的电容更加经济。 随着薄膜电容的应用越来越广泛，薄膜电容的性价比有了跟进一步的竞争力，这使得市场上，膜电容替代铝电解电容成为工业和机车功率变换市场的趋势； 这些优势包括： 膜电容能够承受高有效值电流的能力，可达1Arms/uF 能够承受两倍于额定电压的过压 能够承受反向电压 能够承受较高的峰值电流 没有酸污染 长寿命 可长时间储存 铝电解电容产品特点介绍 铝电解电容为了兼顾很好的能量密度，电解电容的最大标称电压一般不超过500V~600V，对于高压铝电解电容，（超过350Vdc的电容，电解液的传导率被限制在5kWcm,它的有效电流被限制在20mA/uF）所以在更高的电压使用条件下，使用者必须采用多只电容串联使用，由于每个电容的绝缘电阻不同，串联时必须采用均压处理。 如果有超过1.5倍反向电压被加在电容两端时，会引起电容内部化学反应，甚至发生爆炸，用户必须考虑在电路中会出现这种故障时，务必并联一个二极管。 铝电解电容承受最大浪涌电压Vndc的1.15或1.2倍，因此使用中不得不考虑系统出现的浪涌电压选择电容电压值，而非系统的标称电压。 电容容值的计算 使用电池或者超级电容供电的逆变器系统 在这种情况下，电容是用来退耦的，膜电容特别适合这种应用。因为直流支持电容的主要标准是是对有效值电流的承载能力，这意味着直流支持电容可以用有效值来设计。这种应用电车和电叉车。 假定，工作电压：120Vdc， 允许纹波电压：4V， 有效值电流：80A@20kHz 因此可以计算出所需要的金膜电容最小容值。 (直流支撑回路的纹波电压和纹波电流的换算关系，计算所需要的最小直流回路最小电容容值) 逆变桥臂的开关频率就是直流回路上的高频纹波电流的频率。因此，可以推导出以下计算式子： 计算方法1：需求膜电容容值的计算 电容容值的计算 计算方法2：需求铝电解电容容值的计算 对于所需要的铝电解电容的最小容值： （按照目前的铝电解电容所能承受的最大电流容量计算的最小容值）。该式是计算指导纹波系统总的纹波电流的情况下，按照直流电容的最大支撑能力去较核电容容值参数。 使用电网供电的整流+逆变系统 该式的由来是按照三相交流电经过二极管桥式整流后输出的六脉冲“馒头波”经过直流母线电容滤波之后变成平滑的直流电，根据能量守恒原理：不考虑电容上的纹波，系统输入的能量应该等于系统总的输出功。该处计算均没有考虑逆变侧开关过程产生的纹波电流值： 整理上式有： 电容容值的计算 对于后面逆变器部分开关管开关造成纹波所需要的滤波电容容值，使用下式计算逆变器部分需要的膜电容： 其中： 表示IGBT开关一次所需要的能量。 该式，计算出来的C单位是F. 因为金膜电容的系统纹波电流是直流支撑电容的3～5倍，因此可以按照上面各式计算出铝电解电容之后，按照容值1/2~1/4左右容值替代成膜电容即可。 系统需要铝电解电容容值： 400KW矿用变频器母线电容计算方案 400KW矿用变频器母线电容计算方案 铝电解电容和金膜电容个数和寿命的选型计算 母线电容的选择，首先满足在最大母线电流纹波的情况下，母线纹波电压满足转子变化器的要求，同时，母线电容 寿命满足设计要求20年的指标。 首先确定母线电流的纹波电流，由于这是系统是一个典型的多阶非线性系统，手工计算电容纹波电流很困难，一般的方法是通过仿真的方法得到母线电容的纹波电容值。借用其他公司1.5MW双馈变流器的纹波电流的测试结果，设计中以直流母线电容的最大纹波电流为700A作为参考。以下是一个实际示例来说明如何具体选型计算电容的个数和使用寿命的问题。 目前，风电变流器的直流母线电容的选型有两种方案，一种是选择电解电容，另一种是选择标准金膜电容。对于前者，初步选用EPCOS的电解电容B43456-K5478-M1（450V/4700uF 85℃ 12000H 纹波电流Imax=41.6A@120Hz@45℃）或EPCOS公司的金膜电容B25620－B1407-K101（1100V/400uF 85℃ 100000H 纹波电流Imax=55A）。 举例： 设计前提条件： 1、估算寿命对比 （1）B43456-K5478-M 根据铝电解电容的使用信息：如果我们选用85℃/12000h寿命的铝电解电容，工作环境温度考虑为40℃（电容器周围 的工作温度），温