薄膜电容器培训

1、电力电容系列-DC-LINK电容培训资料 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，特别在备中得以广泛应用，特别在 DC-LINK DC-LINK 这个应用场合，薄膜电这个应用场合，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 ESR 和和 ESLESL、长寿命、长寿命、 ( (干式防爆干式防爆) )、无极性和高频特性好等、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优越的电气性能，在高压大功率电力电子设备中DC-LINK

2、DC-LINK应用应用 薄膜电容替代电解电容是一种趋势。薄膜电容替代电解电容是一种趋势。 薄膜电容的优势薄膜电容的优势 薄膜电容的发展趋势薄膜电容的发展趋势 （针对针对DC-LINKDC-LINK） 薄膜电容的关键材料薄膜电容的关键材料 薄膜电容的常用结构及分类薄薄膜电容的常用结构及分类薄 薄膜电容器的工艺流程薄膜电容器的工艺流程 对薄膜电容和电解电容对比分析对薄膜电容和电解电容对比分析 DC-LINKDC-LINK电容在电力电子设备中的功能和应用。电容在电力电子设备中的功能和应用。 薄膜电容的优势薄膜电容的优势 o1.承受高有效电流的能力，最高可达承受高有效电流的能力，最高可达1Arms/F

3、。 o2.抗浪涌能力强，能承受抗浪涌能力强，能承受2UnV 的浪涌电压的浪涌电压 o3.承受高峰值的电流能力，承受高峰值的电流能力，dv/dt高达高达100V/s, ESL电感量小，电感量小， 充放电速度快。充放电速度快。 o4.耐压高，能承受耐压高，能承受1.5倍于额定电压的过压。倍于额定电压的过压。 o5.无极性，能长期承受反向脉冲电压。无极性，能长期承受反向脉冲电压。 o6.介质损耗小介质损耗小 ，ESR小，产品内部温升低，温度特性好。小，产品内部温升低，温度特性好。 o7.体积小，长寿命，没有酸污染。体积小，长寿命，没有酸污染。 o8.可长时间存储。可长时间存储。 o9. 替代电解并非

4、等额容量替代，而是功能上的替代，根据不同的要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（薄膜求确定容量（薄膜/电解电解=1/22/3容量）。容量）。 从从19801980年开始，使用金属化膜以及膜上金属分割技术的年开始，使用金属化膜以及膜上金属分割技术的 DCDC滤波电容得到了长足的发展。在过去多年的发展中，滤波电容得到了长足的发展。在过去多年的发展中， 电电 容的体积和重量减小了容的体积和重量减小了3 3到到4 4倍。现在薄膜生产商开发出了更倍。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薄的膜，同时改进了金属化的分割技术极大的帮助

5、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 地覆盖地覆盖600VDC600VDC到到1200VDC1200VDC之间的电压范围。之间的电压范围。 1 1、干式替代油浸式、干式替代油浸式 油浸式电容因为将油浸渍到薄膜里面（油浸式电容因为将油浸渍到薄膜里面（1200V1200V以上的电以上的电 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

6、容可以解决以上问题，而且减化短了电容的寿命，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。了生产工艺，保证了产品的一致性。 薄膜电容的发展趋势薄膜电容的发展趋势 2 2、电气防爆替代压力防爆、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，国内少数厂家的一些干式薄膜熔丝的方式进行防爆，国内少数厂家的一些干式薄膜 电容采用内置式的电气式防爆，电容采用内置式的电气式防爆， 即采用网状安全膜。即采用网状安全膜。 但国外干式电容器均采用高方阻渐变介质膜设计。但国外干式电容器均采用高方阻渐变介质膜设计

7、。 下面是安全膜示意图下面是安全膜示意图 网状安全膜示意图网状安全膜示意图 T型安全膜示意图型安全膜示意图 安全膜与高方阻膜特点 o 这两种设计各有独特的优势：安全膜表面有无数微 型保险丝，当局部存在电弱点或瑕疵时，可以牺牲 局部有效面积，保证电流还可以从其它通道流过， 能保证电容器的正常运行，从而保证整机的工作电 路。但如果发生大面积局部击穿，电容器的有效面 积会大大减少，电容器的容量衰减很快，电容的使 用寿命会大大降低；高方阻渐变薄膜设计可以提高 电容器的击穿耐压、波浪分切可以增大喷金的接触 面积，降低接触电阻，提高电容器承受纹波电流的 能力，但如果应用电路存在大量谐波电流或者长期 在超过

8、额定电压下频繁工作，电容器存在电击穿的 可能。 介质介质塑料薄膜（如塑料薄膜（如: :聚丙烯聚丙烯(PP),(PP),聚酯聚酯(PET),(PET),聚碳酸聚碳酸 酯酯(PC),(PC),聚苯硫醚聚苯硫醚,(PPS),(PPS) ），塑料薄膜的性能直接影响到），塑料薄膜的性能直接影响到 薄膜电容的寿命和电气性能，国内做薄膜电容的寿命和电气性能，国内做 PP PP 薄膜最好的厂家薄膜最好的厂家 和国外的高品质的和国外的高品质的 PP PP 薄膜（如德国的史泰拿、薄膜（如德国的史泰拿、创斯普创斯普、 法国的波洛莱和法国的波洛莱和日本东丽日本东丽等）差距还相当大，特别是影响等）差距还相当大，特别是影

9、响 电容寿命、耐压和高温特性的电容寿命、耐压和高温特性的 PP PP 薄膜结晶度，国内厂家薄膜结晶度，国内厂家 只能做到只能做到 6065%6065%结晶度，而国外的能达结晶度，而国外的能达 7580%7580%的结晶度，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 寿命长寿命长 50%50%、耐压高、耐压高 30%30%以上。以上。 薄膜电容最关键的材料薄膜电容最关键的材料 日本东丽，德国创斯普日本东丽，德国创斯普 为充分保

10、证为充分保证DC-LINKDC-LINK特种电容品质，该类电容器介质建特种电容品质，该类电容器介质建 议采用进口基膜，如日本东丽、德国创士普以及议采用进口基膜，如日本东丽、德国创士普以及KOPAKOPA、 BIRKEBATCHBIRKEBATCH（缩写（缩写BBBB膜）等，可大幅度提高电容的耐压能膜）等，可大幅度提高电容的耐压能 力，通过高方阻技术，可进一步提高了产品的耐压能力和力，通过高方阻技术，可进一步提高了产品的耐压能力和 自愈能力自愈能力. . ( (在电介质膜上，镀上很薄的金属层，如果电介质出现短路，金属镀层会在电介质膜上，镀上很薄的金属层，如果电介质出现短路，金属镀层会 因此而挥发

11、并将短路的地方隔离开来。这种现象称为自愈效应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 ) ) 关键材料的主要供应商 機密-僅供内部使用 电容器典型内部结构图电容器典型内部结构图 图图1:单面结构单面结构 图图2:单面内串结构单面内串结构 图图3:双面内串结构双面内串结构 图图4:铝箔铝箔/金属化膜串联金属化膜串联 薄膜电容的常见内部结构及简单分类薄膜电容的常见内部结构及简单分类 图图1:1:单面结构单面结构 图图2:单面串联单面串联 图图3:双面串联双面串联 图图4:铝箔串联铝箔串联 图图3:双面多串联双面多串联 A. 内部结构分类内部结构分类 1 双面金属化膜双面金属化膜,内部

12、串联结构内部串联结构 2 单面金属化膜单面金属化膜,内部串联结构内部串联结构 3 单面金属化膜单面金属化膜,内部不串内部不串 4 单面金属化膜单面金属化膜,网状安全结构网状安全结构 B.按外形结构分类按外形结构分类 1 外包胶纸外包胶纸,轴向引出轴向引出:引线引线,片片,螺孔螺孔 2 标准塑料外壳封装标准塑料外壳封装,线线/片引出片引出 3 标准金属外壳标准金属外壳,螺孔螺孔/螺杆引出螺杆引出 4 定制，异型外壳定制，异型外壳 C.按目标用途分类按目标用途分类 Snubber(吸收吸收)(PSD,PSC,PSM) DC-link(直流滤波直流滤波,直流链支撑直流链支撑)(PDP,PDF,PDE

13、,PDB) AC-filter(交流滤波交流滤波,LC,)(PAF,PAR) Resonant(谐振谐振) (PSC,PGH) Switching(开关开关)(PWH) 外包胶纸外包胶纸,轴向引出轴向引出 标准铝外壳标准铝外壳,螺孔螺孔/螺杆引出螺杆引出: 外包胶纸外包胶纸,轴向引出轴向引出 标准塑料外壳封装标准塑料外壳封装, 片片 / / 线线 引出引出 标准铝外壳标准铝外壳,螺孔螺孔/螺杆引出螺杆引出 定制，异型外壳定制，异型外壳 warehouseP Pa ac ck ki in ng gF Fi in na al l i in ns sp pe ec ct ti io on n M M

14、a ar rk ki in ng gP Po ou ur r e ep po ox xy y r re es si in n A As ss se em mb bl li in ng g W We el ld dM Mi id ddl le e i in ns sp pe ec ct ti io on n V Vo ol lt ta ag ge e c cl le ea an ni in ng g Spray metalH He ea at t t tr re ea at tm me en nt t Winding 入 库 包 装成品检测 印标志 灌 封 组 装 焊 接半成品检测 赋 能 喷

15、金芯子热定型芯子卷绕 薄膜电容器的工艺流程薄膜电容器的工艺流程 . 薄膜电容和电解电容分析比较：薄膜电容和电解电容分析比较： 1、电性能（从产品设计及结构上进行分析）、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 采用的是金采用的是金 属化薄膜无感卷绕结构，如下图所示：属化薄膜无感卷绕结构，如下图所示： 电解电容展开示意图 从上面的电解电容和薄膜电容的结构示意图可以看出：从上面的电解电容和薄膜电容的结构示意图可以看出： 电解电容电解电容 属有感式卷绕，电流的流向路程远（等于电解铝属有感式卷绕，电流的流向路程远

16、（等于电解铝 箔的长度），造成电箔的长度），造成电 解电容的解电容的 ESL ESL 和和 ESR ESR 较大，所以在较大，所以在 经受大的纹波电流时发热严重；经受大的纹波电流时发热严重； 而薄膜电容采用的是无感而薄膜电容采用的是无感 式卷绕，电流的流向路程短（等于薄膜的宽式卷绕，电流的流向路程短（等于薄膜的宽 度），薄膜电度），薄膜电 容的容的 ESL ESL 和和 ESR ESR 极小，所以能承受大的纹波电流而不发极小，所以能承受大的纹波电流而不发 热。热。 2 2、寿命对比、寿命对比 电解电容的寿命一般只有电解电容的寿命一般只有 20003000 20003000 小时，而长寿小时，而

17、长寿 命的也只命的也只 有有 50006000 50006000 小时，而且容易发生漏液小时，而且容易发生漏液 和存在保质期；而薄膜电和存在保质期；而薄膜电 容寿命一般是容寿命一般是 100000 100000 小小 时以上，而且是干式和无保质期限；下面时以上，而且是干式和无保质期限；下面 是薄膜电是薄膜电 容的寿命曲线图：容的寿命曲线图： 薄膜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功能和应用 薄膜电容在电力电子设备中的示意图薄膜电容在电力电子设备中的示意图 C1：直流链支撑（：直流链支撑（DC-Link） C2：逆变回路中：逆变回路中 IGBT、IPM 模块突波电压吸收模

18、块突波电压吸收 C3 ： AC滤波电容滤波电容，输出端高频纹波吸收输出端高频纹波吸收 二、 C1：直流链支撑（：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 脉动电流脉动电流 2.功能替代的理论分析（容量选择方法分析）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：高频纹波电压计算方法：E=1/2CU2-1/2C(U-U)2 其中其中:E 为每次为每次 IGBT 导通时所需能量，导通时所需能量，U 为电容

19、导通前为电容导通前 的电压，的电压， U 为纹波电压的峰峰值，为纹波电压的峰峰值，C 为电容容量。为电容容量。 E 的一般理论计算方法（每的一般理论计算方法（每 KW 所需平均能量）：所需平均能量）： E=3600000/3600/f=1000/f（其中（其中 f 为为 PWM载波频率载波频率 ） 以以 f=2KHz f=2KHz 为例，为例，E=0.5JE=0.5J，假如直流母线电压，假如直流母线电压 U=1000V U=1000V 时，要求高频纹波电压时，要求高频纹波电压U U 为为 2%2%（即（即U=20VU=20V），根据），根据 E=1/2CUE=1/2CU2 2-1/2C(U-1

20、/2C(U-U)U)2 2 可以算出 可以算出 C=25.25 F,C=25.25 F,同时用同时用 IGBTIGBT整流的风电变流器，整流侧能提供整流的风电变流器，整流侧能提供50%50%以上的能量，以上的能量， 所以可以得出，每所以可以得出，每KWKW功率机器所需功率机器所需DC-LINKDC-LINK电容的容量为电容的容量为 12.5F12.5F以上即可满足要求，实际应用时留点余量，所以以上即可满足要求，实际应用时留点余量，所以 我们推荐是我们推荐是1525F/KW1525F/KW。纹波电流在我们的计算中不作。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

21、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。求。 例如，例如，2MW/690VAC2MW/690VAC的风电变流器，以每的风电变流器，以每KWKW功率需功率需DC-LINKDC-LINK 电容的容量为电容的容量为17.5F17.5F，那么，那么2MW2MW要的总要的总DC-LINKDC-LINK电容的容电容的容 量为量为35000F35000F。 二、二、C2：逆变回路中：逆变回路中 IGBT、IPM 模块突波电压吸收模块突波电压吸收 IGBT保护电容主要是用来缓冲保护电容主要是用来缓冲IBGT开关时产生的高脉冲开关时产生的高脉冲 电压和电流；电压和电流； IGBT保护电容有如下特

22、点：特高的保护电容有如下特点：特高的Du/dt、大电流、高频、大电流、高频 特性好、自愈性、极小的特性好、自愈性、极小的ESR、无感结构。、无感结构。 电压选择：跟据客户电压选择：跟据客户IGBT电压等级来选择，电容额定电压电压等级来选择，电容额定电压 一般不低于一般不低于IGBT电压等级。电压等级。 容量选择：容量为：容量选择：容量为：IGBT实际工作电流每实际工作电流每100A使用容量使用容量 大约大约1UF。 三、三、C3:AC滤波电容：在变流器中的功能主要是滤除滤波电容：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逆变器产生的高频纹波，使变流器并网时

23、有一个符 合要求的正弦波电压。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。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电容和电感的谐振点在载波频率的1/41/5的条件时，滤的条件时，滤 波效果较好。波效果较好。 例：高压变频器例：高压变频器DC-LINK的应用的应用 在高压变频器的在高压变频器的DC-LINK这个应用场合，薄膜电容以其优越的这个应用场合，薄膜电容以其优越的 电性能逐步

24、得以广泛应用，下面简单介绍一下电性能逐步得以广泛应用，下面简单介绍一下DC-LINK电容在电容在 高压变频器中的选取方法：高压变频器中的选取方法： 一、高压变频器装置的构成一、高压变频器装置的构成 高压变频调速成套系统整体结构上由旁路柜、移相变压器柜、高压变频调速成套系统整体结构上由旁路柜、移相变压器柜、 功率单元柜及控制柜组成，见图功率单元柜及控制柜组成，见图1所示。所示。 图图1、高压变频器装置的构成图、高压变频器装置的构成图 二、功率单元原理二、功率单元原理 功率单元柜为成套装置的核心部分，也是电机定子大功率变功率单元柜为成套装置的核心部分，也是电机定子大功率变 频电源的产生模块。功率单

25、元柜主要由功率单元箱（图频电源的产生模块。功率单元柜主要由功率单元箱（图1中中 A1An,B1Bn，C1Cn）并辅以控制构成）并辅以控制构成 每个功率单元的电气原理见图每个功率单元的电气原理见图2所示，每个功率单元由外部所示，每个功率单元由外部 输入三相电源输入三相电源A/B/C供电，经内部整流滤波后逆变成单相电压供电，经内部整流滤波后逆变成单相电压 U/V输出。整流由三相不控整流完成。逆变部分采用输出。整流由三相不控整流完成。逆变部分采用IGBT功功 率器件，控制方法采用率器件，控制方法采用SPWM（pwm脉冲宽度调制脉冲宽度调制）逆变控制逆变控制 技术。技术。 o . 图图2、功率单元电气

26、原理图、功率单元电气原理图 图图3 3、功率单元相串原理、功率单元相串原理 功率单元中电压、功率换算关系功率单元中电压、功率换算关系: 1、相电压、相电压=线电压线电压/3 2、功率单元电压、功率单元电压=相电压相电压/功率单元串联数功率单元串联数 3、功率单元功率、功率单元功率=变频器总功率变频器总功率/功率单元串联数功率单元串联数/3 例如：例如：6 kVAC的高压变频器，功率为的高压变频器，功率为1.5 MW，每相由，每相由6个个 功率单元串联叠加而成，功率单元串联叠加而成，3相共相共18个功率单元，那么：个功率单元，那么： 相电压相电压=6000/3 = 3464.2 VAC 功率单元

27、电压功率单元电压=3464.2/6 = 577.4 VAC 功率单元功率功率单元功率=1500/6/3 = 83.3 kW 对于对于3kV高压变频器，每相一般由高压变频器，每相一般由34个功率单元串联叠加个功率单元串联叠加 而成；而成； 对于对于6kV高压变频器，每相一般由高压变频器，每相一般由57个功率单元串联叠加个功率单元串联叠加 而成；而成； 对于对于10kV高压变频器，每相一般由高压变频器，每相一般由810个功率单元串联叠个功率单元串联叠 加而成；加而成； 电压：电压： 1.1*2*功率单元电压功率单元电压 容量：容量：3050 UF/KW 例如：例如：6 kVAC的高压变频器，功率为

28、的高压变频器，功率为1.5 MW，每相由，每相由6个个 功率单元串联叠加而成，功率单元串联叠加而成，3相共相共18个功率单元，那么：个功率单元，那么： 1、DC-LINK电容的电压：电容的电压： 1.1*2*577.4 = 898 VDC 一般可以选择一般可以选择1000-1100VDC电压等级的电容电压等级的电容 2、DC-LINK电容的容量：电容的容量：83.3*（3050）=2500 4165 UF 所以每个功率单元组可以选择的电容范围在所以每个功率单元组可以选择的电容范围在2500 4000 UF都可以，这要看客户的成本承受能力来进行选择。都可以，这要看客户的成本承受能力来进行选择。 o 1.混合动力汽车变频器混合动力汽车变