薄膜电容器与应用

1、薄膜电容器与应用薄膜电容器11876年英国D 斐茨杰拉德发明纸介电容器。 这就是薄膜电容器的始祖。有机介质由于其性能优异而大量应用。】有机介质可以分为聚乙烯、聚苯乙烯、聚 四氟乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚 酰亚胺、聚枫、聚苯硫醵、漆膜等。对于电力电子线路来说，应用最多的是聚 酯电容器、聚丙烯电容器。薄膜电容器的特点I无极性 ESR极低允许比较高的电流流过工作电压可以很高温度范围宽基本上无寿命限制金属化电极具有自愈功能薄膜电容器的基本参数额定直流电压、额定交流电压I电容量 ESR、ESL dv/dt、有效值电流、峰值电流工作温度额定直流电压、额定交流电压豔晒蠶整个温度范围内允许1试验电压：电

2、容器出厂前形式试验时对电 容器施加的电压，一般在152倍，持续时 间2分钟或500小时。錚離課蠶豔质所能承受的电压'隔甌埶槪流电压下额定交流电压与额定直流电压关系在一般情况下，额定交流电压与额定直流 电压关系为：Rated voltage URJ VDC50631002504006301000Rated voltage UR, VAC304063160200220250电容器的交流电压与频率的关系当交流电的频率很低时，流过电容器的电流也很 低，这是电容器所允许施加的交流电压为额定交 流电压。1随着频率的升高，流过电容器的电流增加。当流 过电容器的电流达到电容器的额定电流时，将不 允许继

3、续增加电流。为了限制电流，需要电压降 额。随着频率继续升高，电容器的介质损耗上升，由 于电容器所允许的损耗为一定值，介质损耗增加, 将要求ESR损耗降低，也就是说要进一步降低电 流有效值，来保证电容器的损耗为额定值。电容器的电压与频率的关系电容器可承受的交流电压、电流与频率的 关系频率f2Irins恒流被热功率!损耗限制Trtf2频率薄膜电容器电压与频率的关系当频率升高到一定程 度时，薄膜电容器允 许施加的电压将随频 率的升高而降低。薄膜电容器电压与温度的关系I薄膜电容器在不同温度下可承受的交流电 压VCOVk K V V 8 7 O.0.-TI-TH聚丙烯膜聚酯膛十一.2i.ovk-O.SV

4、j：0.75Vi：；聚乙苯烯膜乜 聚苯硫醸膜十亍IjUo-1|«T 0 L85100" 125-C-5511>T105 125'C -电容量的变化与温度的关系聚酯膜 聚苯乙烯膜 聚苯硫醛膜聚丙烯膜ESR、ESL与阻抗频率特性KMK0805-32z Adv/dt、峰值电流、有效值电流I电容器的电流与dv/dt的关系：】当dv/dt为峰值时，对应的电流为峰值电流。 电容器允许的有效值电流受流过的电流在ESR上的损耗限制工作温度不同的介质，电容器的最高工作温度不同。 一般来说，聚酯电容器的最高工作温度为 +125°C；聚丙烯电容器多为+85°Co

5、损耗因数与频率的关系10 0.1110100 kHzlOOO* f损耗因数与温度的关系1 诱 fl 专 fl,1VL、(2：1 "* ifw)%.翠酯膜 霞苯乙烯腥 軽苯硫離推 軽丙烯膜hI 1r k¥ Ii j£r>I14-41 -*1/h-.60 -40 -20020406080 100 120 0 160应用薄膜电容器需要注意的问题I应用条件：1工作电压状态I电压变化速率1流过电容器的有效值电流与峰值电流薄膜电容器在电力电子线路中的主要作用1旁路1缓冲与箝位（谐振I平滑与直流支撑I急剧放电电源电磁干扰抑制薄膜电容器用作旁路I目的:降低直流母线阻抗;电流

6、，抑制直流母线 电压因负载突变而出 现的波动。DixalK»TModule亍直流母线旁路对性能的要求尽可能低的ESR满足要求的电容量对性能的要求对性能的要求足要求的额定有效值电流和峰值电流目的I对性能的要求ExternalRe sistorsDualIGBTModule薄膜电容器用作缓冲与箝位7 see ClampModule电容器用于箝位Buck-Boost电容器作为缓冲电容器薄膜电容器用于谐振式变换器】目的：与电感共同实现谐振功能】对性能的要求：在相应频率下更够承受足 够的交流电压、电流谐振式变换器电路I LLC谐振式变换器1特点：低噪声D2(a)半桥谐振式变换器D2(b)全桥谐

7、振式变换器谐振式变换器谐振式高频感应加热功率变换器C7:谐振电容中频感应加热功率变换器I电路详见电力电子技术教材1特点：为了降低成本、高输出功率，晶闸管逆变为了获得更高的负载电流，釆用并联谐振方式I电容器的电流接近于负载电流中频感应加热电容器1特点：1电容量大无功功率高I大电流I需要水冷薄膜电容器实现平滑与直流支撑功能I目的：I平滑整流后直流电压旁路（吸收）逆变器的纹波电流，改善直 流母线电压质量对性能的要求I膜电容特别适合这种应用。因为直流支撑 电容的主要标准是有效值电流的承受能力。这意味着直流支撑电容能够以有效值电流 来设计实例1以电瓶车为例，要求的数据1工作电压:120VDC1允许的纹波

8、电压：4Vrms1有效值电流：80 Arms 20 kHz最小容值为在膜电容中，很容易找到接近的容值。如果釆用铝电解电容器I与电解电容比较：1以每pF 20 mA为例，为了承受80A有效值 电流，最小容值1实际上可能需要两只4000pF的电解电容器 并联电容器在电网供电时平滑与旁路作用ml虧实例容值的确定应从电网频率比逆变器频率低入手。使用下述等式确定容值:1流过电容的有效值电流为（近似表示式）, 该电流没有考虑逆变器侧的电流bins1 rippb2 X VTX C冥2 X兀* F吃申餉Irmsx 71_ U rippbF如果直流电压1000V,纹波电压200V11 rms : (P=1 MW

9、) = 2468Arms I(P=500kW) = 1234Armsi(P=100kW) = 247ArmsNE站 wnba4=i ss w 茅 it wzl 1 i f 善 oah.£S3S|JUJ）叭曲ML闻嗣旳P= 1 MWP= 500 kW频率与电容来的关系低频部分De voltage" 1000VU ripple-200VP= 100 kW2503Wfrequency (Hz)150对电容量的要求(3)为了方便比较，我们选择电流承受能力为20mA每pF的电解电容|考虑到0.2Arms/pF,有效值电流为2468A 舐 需要的最小容值知234mF。对应图 中曲线的值

10、，我们可以看到对频率低于 100Hz的整流器，使用膜电容，该容值同样 是需要的。因此，对于三相，六整流管的整流器，频 率为。我们可以看到对应1MW的曲线，需 要185mF的容值。与电解电容相比，如使用膜电容方案，体积几乎可以缩小4倍，同 时有更高的可靠型。比较低的功率情况在更低功率的情况下，同样能够给出相同 的结果，对于10kW的功率，虽然容值变得 很小，但是膜电容仍然是最好的解决方案。|甚至在100Hz整流器频率，只需要555pF的电容，供电电压与纹波电压仍然与前面相同。10 kW逆变器对电容量的要求与频率的关系M 2(ll-ui)'vmlaA 世Quowwdlav100233&am

11、p;:：5iiiWOfrequency (Hz|滤波与平滑用薄膜电容器I滤波与平滑用电容器是用来平滑整流器输 出的电压、电流，在电压低于450V时通常应用价格低廉的铝电解电容器，当电压高 于500V低于700V时仍可以应用铝电解电容器串联的方式，但是在需要高可靠的场合 与电压高于1000V或更高时则应用薄膜电容器作为滤波电容器为好。Strap terminal, steinScrew terminal, special designStrap terminal axial design薄膜电容器作为滤波电容器I薄膜电容器作为滤波电容器4!H11111i1丄sF M6«8二 PUJgl

12、4J. 1 屮一加0_縊8ThreadL L I 刊？ I L rv:r*二门 rfflI H6?l41MB«*«*«*OB WB MMI窄部分切断与整体的联系。薄膜电容器作为滤波电容器电极结构安全要求：即使局部 击穿也不会造成整个 电容器商短路。1如图电极结构可以在 电容器的某一部分击 穿是利用熔断电极狭B25645-A4180-J*-1 的额定参数:】额定电容量(CN) : 1000pF土5%,额定 电压(UN) ： DC400V,储能(WN): 80WS,最大纹波电流有效值(Imax): 60A,寄生电感(Lself) : 5nH,损耗因 数(tan50)

13、: 50X10-4, ESR： 0.9mQ； 最大参数：浪涌电压(US) : 450V,浪涌 电流(IS) : 5kA, (du/dt) S： 5V/ps； 测试参数：(UTT) DC550V, 10秒，绝缘 电阻(RisC) : >10000秒，损耗角正切 (50Hz) : <60X10-4oB25655-A1148-KOO 0 的额定参数:|额定电容量(CN) : 1450pF±10%,额定电压 (UN) : DC1250V,交流输入电压(Ui): 1100V,储能(WN) : 1100Ws,最大纹波电流 有效值(Imax) : 135A,寄生电感(Lself): 4

14、0nH,损耗因数(tanSO) : 2X10-4, ESR：0.8mQ；最大参数：交流输入浪涌电压(U)： 1500V,浪涌电压(US) : 1900V,交流输入浪 涌电流(I) : 2kA,浪涌电流(IS) : 20kA,(du/dt) max： 1V/ps, (du/dt) S： 14V/ps； 测试参数：(UTT) DC1900V, 10秒，(UTC) DC3500V, 10秒，绝缘电阻(Ris C) : >10000 秒，损耗角正切(50Hz) : <10X10-4o薄膜电容器与电解电容器性能对比】从上述两电容器的参数可以明显看到：与 铝电解电容器相比，ESR、最大有效值电

15、 流、寄生电感、浪涌电压/额定电压的比值、 浪涌电流均明显优于铝电解电容器，还有 一个重要因素就是薄膜电容器的寿命是铝 电解电容器所无法相比的。变频器/逆变器用滤波电容器安装结构对比分析I简单经济的安装方式可以是釆用导线连接 方式，常见于早期变频器/逆变器。I现在比较常见的是整流器、整流滤波电容器与逆变器之间采用铜板连接。I对于釆用变频器专用薄膜滤波电容器的变 频器的安装结构更是尤为重要，必须釆用 “功率PCB”的方式，其目的就是使直流母 线的寄生电感最小化。用铝电解电容器滤波的变频器的结构图变频器专用薄膜滤波电容器构成的变频器的结构图i电圣1滞模块Ju!1ii i i i i11母线桐冲*4

16、-kJ LL-1«"IflIfL-JtIGETtailllit一散热器497EPCOS 的 B25645-A41变频器专用薄膜滤波电容器的结构对比结果I通过两图比较可以看到，采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器结构相对简单。 结构简单的一个最大好处之一就是母线寄 生电感更低，因为变频器专用电容器模块 可以直接装在母线板上，这样所产生的寄 生电感将明显小于装在散热器旁边的铝电 解电容器用铜板或母线连接到IG BT的方式。薄膜电容器的优势I综上所述，釆用薄膜电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器不仅可以大大提高 变频器/逆变器的应用寿命，避免更换滤波 电容器之苦和付出的成本代

17、价，同时由于 薄膜电容器的低ES R使你便电路中的开关管上的电压应力大大减小,有利于开关的工作状态与可靠性。直流支撑电容器在直流链电路中的作用I在旁路逆变器纹波电流的同时, 来自于宜流练得上电过电压还要抑制:地铁，主要应用：轻型牵引的应用，i 轻轨，电车等薄膜电容器作为直流支撑电容器轻型牵引的应用，如：地铁，轻轨，电车等亘流支撑电压波形1在接触断开时，能量来自直流支撑电容， 结果，电压降低。因此，只要接触重新被 建立过压将出现。情况分析|更糟的情况是过压会达到额定电压的几乎2倍。1电解电容可承受最大12倍的额定电压。所以，电 解电容可以承受的最低电压为:2X1000V/1.2=1670V需要四

18、支450V的电解电容串 联。膜电容可以承受这种过压。1考虑部分从网上得到的数据，10mF的电解电容， 体积为26升，最夭宥兹值曲流为20ArmSo而箱 向容植的験电容，命穎为25昇，最夫肴期i曲流 可比500Arms还高。寿命计算:丨膜电容允许有很长的寿命期望，其寿命的 长短由负载电压条件（工作电压）与热点 温度决定。对于直流滤波电容，其寿命符 合下面的曲线：聚丙烯薄膜电容器寿命与工作电压的关系聚丙烯薄膜电容器寿命与工作电压的关系100001000100101毎十亿小时失效率0.010 2040温度60R R R R R 心心心心/U UUUUU5 552 7-5 1£ 1A - -

19、 - »80100 化 120在实际应用中，铝电解电容器的寿命是无 法同薄膜电容器相比的。薄膜电容器用于急剧放电丨目的：可以用于直流脉冲电容器应用于脉冲发生器，充磁、退磁机，激光电源，医 用器械，储能焊接等领域中。对性能的要求：高电氐高储能、高放电电流。储能电容器的性能I电容器用于放电应用通常是能够提供非常 高的放电电流和高储能，如我国的九方合 荣生产的脉冲电容器的放电电流可达 12.5kA!储能750焦耳（这个数值大约为 5000法拉超级电容器的1/50,但是超级电 容器由于ESR还是较大，释放不了这么大 的电流）。可以用于直流脉冲电容器应用 于脉冲发生器，充磁、退磁机，激光电源,

20、 医用器械，储能焊接等领域中。薄膜电容器用于输岀整流滤波EC豔炉K75V DC 9549J D2O M -9396 Z gQO 0/10,5% % 30V DCMA片 MB0 j/v/py薄膜电容器由于 其ESR极低和优 异的可靠性，在 高可靠性的大功 率开关电源的输 出整流滤波应用 将是一个不错的 选择。特点lESR极低，据测试，80pF/30V的薄膜电容 器的ESR仅仅几个pC!可以流过很大的电流，电容器的电极或者 用铜板，或者用多个引脚引出。】寄生电感极低。】特别是用于100kHz以上开关频率、输出电压比较高，如24V以上的大功率开关电源耦合与隔直在开关电源、电子镇流器中，由于逆变器 是

21、半桥电路结构，而变压器、荧光灯仅能 接受交流电，因此需要将交流成分耦合过 去，隔离其直流成分。1承担这种耦合作用的电容器不仅需要具有足够的直流电压承受能力，还要能通过比较大的交流电流，尽管这个电流小于流过谐振电容器电流。性能要求1除了电压要求、电流要求外，这种耦合常 需要耦合电容器在开关周期的负半周向负 载提供电能。因此，需要耦合电容器具有 满足需要禹电容量。在实际应用中，一般的薄膜电容器均可以 满足要求。电源电磁干扰的抑制I大部分的电磁干扰来自电源1由于电源电磁干扰抑制电容器接在交流电 源侧，随时可能受到来自电源的浪涌电压、瞬时过电压的冲击，电源电磁干扰抑制电 容器必须能够承受住这些冲击。I

22、抑制电源电磁干扰用电容器主要用于“电 气和电子设备，并跨接到电源线，且电源 线之间的电压不超过500V直流或交流有效 值，或任意电源线与地之间的电压不超过 250V直流或交流有效值，频率不超过 100HzJ其作用降低电气、电子设备或其 他干扰源产生的电磁干扰。抑制电源电磁干扰用电容器分类I抑制电源电磁干扰用电容器一般分为两类:跨接电源线的X类抑制电磁干扰用的X类电容器(capacitor of class X)和跨接电源 线与于地之间的Y类抑制电磁干扰用的Y类 电容器(capacitor of class Y)。I可见无论是x类电容器还是Y类电容器都必 须满足电器安全规则，所以X类电容器还是

23、Y类电容器均称谓安规电容器，特别是Y类电容器还要确保电气安全中的人身安全， 因此，X类电容器和Y类电容器均须通过电 气安全测试。X类电容器对于x类电容器适用于在电容器失效时不会尊政电击危险的场合，如跨接电源燥两端。x类电容器按迭加到电源电压上的峰值脉冲 电压（在使用中可能承受的）大小可分为 三类：X1、X2和X3。这个脉冲电压可以是由于外部线路受到雷击而引起，也可以是由于开关相邻设备而引起，也可以是由于开关使用电容器的设备而引起。跨接电源勰鑑电压相对电源线与地线之间的使用时的峰值脉绝缘类型应用小类冲电压kVIEC 664XI>2.5<4.0III高脉冲应用X2<2.5II一般

24、应用X3<1.5 一般应用注:耐久性试验前施加的峰值脉冲电压Up kVCr<1.0jiF,4Cr>10»F；4/7CrCr<1.0jiF,2.5Cr>10pF，25/7Cr1. 电容量大于l.OgfMUP减额因子均为CrUp2/2o保持不变。2. X3类和X2类相对应的规定见IEC 384-14第一版中的表1。Y类电容器而Y类电容器适用于在电容器失效时会导致电击 危险的场合，如跨接电源线与于地之间，这就要 求Y类电容器能够承受更高的脉冲测试电压的冲 击测试。Y类电容器根据不同的应用电源电压分为：（额 定电压S250V）的双重绝缘或增强绝缘：Y1； （15

25、0V额定电压250V）的基本绝缘或辅助绝 缘：Y2； （150V额定电压S250V）的基本绝缘或辅助绝 缘：Y3和（额定电压150V）的基本绝缘或辅助 绝缘：Y4,共四个子类。 Y2与Y3不同之处见下表小跨接的绝缘类型类额定电压V耐久性试验前施加的峰值脉冲电压Up kV双重绝缘或增强绝缘<250基本绝缘或辅助绝缘>150<2508.05.0基本绝缘或辅助绝缘>150<250基本绝缘或辅助绝缘<1501 基本绝缘、辅助绝缘、双重绝缘和增强绝缘的定义见IEC536中21、22、2.3和24。2 Y3类与IEC 384-14第一版中44的Y相对应。实验电压波形实验

26、电压波形Up图6丄1峰值脉冲电压测试波形等价原则一个丫类电容器可以跨接基本绝缘，也可以 跨接辅助绝缘。如果用两个Y2类、Y3类或 Y4类电容器串联组合跨接基本和辅助绝缘,则这些电容器应有相同的标称值o峰值脉冲电压测试IX类电容器和Y类电容器的耐久性试验前施 加的峰值脉冲电压测试波形峰值脉冲电压测试波形耐电压测试耐电压测试是X类和Y类电容器电气安全性的必测 项目之一，主要是考察电容器在浪涌过电压时能 否经得住冲击，X类和Y类电容器的耐久性测试 电压值如下表。|其测试条件分为直流试验和交流试验，其中交流 施压的条件为：施加50或60Hz电压，以不超过 150V/s的速率从零升高到试验电压，试验电压

27、时 间应从达到试验电压值时开始计算，在试验结束 时，试验电压应减少至接近零，并且电容器通过 一个适当的电阻放电。1应注意的是，由用户进行的重复耐电压试验可能 会损坏电容器。类别额定电压(V)直流试验交流试验XI、X2、X3<5004.3 UR (de)2Ur+1500 V(ac)最小值为2000V(ac)YI<2504000V(dc)4000 V(ac)Y2、Y3>1501500V(dc)2Ur+1500 V(ac)<250最小值为2000V(ac)Y4<150900V(dc)900 V(ac)耐久性测试I耐久性测试时电容器应在上限类别温度和17U R的电压下承受

28、1000小时的那久性试验，在试验中每隔一小时应将电压升高到 1000V （有效值）,持续01秒。该试验应 分别通过一个470 土 5%的电阻施加到每个电容器上。耐久性测试电路与波形lOOOV(ac)1.25UR(ac) 或HUr图6丄2耐久性实验电路和电压波形自燃性试验I自燃性试验是电容器在受到迭加在基波交 流电压上的随机非同步的高压脉冲冲击时 能否自燃的试验电压波形如下图。|测试的基波交流电压有效值为UR+5%,所 施加的高压脉冲的峰值为:1Y2为5kV+7%、X1 为4kV+7%, X2、Y3、 Y4为:25kV+7%、X3为:1.2kV+7%oI每个样品共接受20次这样电压的冲击。6.1

29、.3电容器自燃性试的验电压波形各国的电气安全认可I发达国家对电气安全都有严格的认证，对于通过 认证的电气产品均加有改过电气认证的图标。因 此，无论是X类电容器还是Y类电容器，在电容器 上均必须印有已通过的电气安全认证的图标。VDE 德国©®DEMKOSETINEMKO丹麦芬兰挪威©®SEMKOOVEIMQUL瑞典澳大利亚意大利美国图&1.4各国电气认证的图标SEV 瑞士CSA加拿大抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式r-11r -11 |1II1111 111 I1图&2.1两个引出端电容器©6.2.2串联RC组件抑制电源电磁干扰

30、用电容器的连接方式抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式接地金属夕卜壳/图624对称使用的穿心电容器非同轴）图625非对称強用的穿心电容器非同轴）抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式IIII图6.2.6对称和非对称使用的多单元 穿心电容器（非同轴使用）1I一图&2.7多单元穿心电容器抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式图6.2.9 T形连接旁路电容器图&210三角形连接旁路电容器抑制电源电磁干扰用电容器的连接方式L 纠丰“ "T图6.2.9 T形连接旁路电容器图&210三角形连接旁路电容器RIFA的抑制电源电磁干扰电容器的主要特性RI

31、FA的抑制电源电磁干扰电容器的主要特性抑制电源电磁干扰用电容器的作用是抑制来自于电气、 鬆豔其齡瞬轆認加满足电 由于电磁干扰的愛谱非帘宽，听以抑制电源电磁干扰用 电容器应具有“篙频”直容器闵特性；不仅如此，抑制 电源电磁干扰用电容器还要有效的将电磁干扰“全当抑制电源电磁干轨用电容器受到电磁干扰特别是浪涌 电压利瞬态过电压命冲击时抑制电源电磁干扰用电容器电磁弦用韓器应具有脉冲电容器的可以承受高 dv/dt值的能为。X2抑制电源电磁干扰电容器电容量（pF）0.60.470.330.270.220.150.10.0680.0470.033f0 (MHz)1.71.92.42.83.03.84.95.

32、87.08.4dv/dt (V/gs)400400400400600600600120012001200电容量（pF）0.0220.0150.010.00680.00470.00330.00220.00150.001f0 (MHz)101215192129354253dv/dt (V/fis)120012001200 1200120012001200 12001200Y2抑制电源电磁干扰电容器电容量（pF）0.10.0680.0470.0330.0220.0150.01f0 (MHz)4.04.96.57.7101315dv/dt (V/gs)40060010001000140014001400电容量（gF）0.0680.00470.00330.00