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高频开关电源为电源转换电选择薄膜或电解电容

作者: szkepuda 时间:2018-08-30 来源:未知
摘要:凭借其低等效电阻(ESR),可实现良好的纹波电流处理以及高浪涌电压额定值和修复特性,薄膜电容器是电动汽车等关键应用中许多电力调节任务的强有力候选者,可再生能源和工业驱...

  凭借其低等效电阻(ESR),可实现良好的纹波电流处理以及高浪涌电压额定值和修复特性,薄膜电容器是电动汽车等关键应用中许多电力调节任务的强有力候选者,可再生能源和工业驱动。它们特别适用于不需要保持(或穿越)的情况,例如在发生中断或线频率波动峰值时,以及需要采集或吸收大量高频的场合纹波电流具有高可靠性和低损耗。

  薄膜电容器也非常适合运行高直流总线电压以最大限度地降低欧姆损耗的应用。由于铝电解电容器的额定电压高达约550 V,因此在较高电压下工作的应用需要多个器件连接。然后有必要通过选择具有匹配值的电容器来防止电压不平衡,这是昂贵且耗时的,或者增加电压平衡电阻器,这会产生额外的能量损失和BOM成本。

  另一方面,当纯粹的储能密度(焦耳/ cm3)是主要考虑因素时,铝电解仍然是一个强有力的选择。一个例子是商用离线电源,需要经济高效的大容量储能,以便在停电时保持直流输出电压,而无需备用电池。合适的降额可以减轻通常与铝电解相关的寿命和可靠性问题。

  然而,铝电解电容器在损坏发生之前只能承受约20%的过电压,而薄膜电容器可以承受短时间内高达其额定值两倍的电压。修复确保对偶然压力的更安全响应,这在实际应用中通常会遇到。

  此外,薄膜电容器可以提供更容易的连接和安装选项,并且极化的,因此不受反向连接错误的影响。它们通常包装在绝缘的,体积效率高的矩形“盒子”外壳中。可提供各种电气连接类型,例如螺钉端子,凸耳,“快速”或母线比较了常用薄膜电容器类型的特性。聚酯类型在低电压下使用,而聚丙烯通常在应力下具有最低损耗和最高可靠性,这归功于其低损耗因子(DF)和每单位厚度的高介电击穿。DF在温度和频率方面也相对稳定。还可提供分段高结晶金属化聚丙烯,并提供与铝电解质相当的能量密度。

  分析一些常见的功率转换电可以显示电容器技术选择如何深刻地影响尺寸,重量和成本,这取决于能量存储是否需要电容或处理纹波或噪声。

  例如,当用作1kW离线转换器的大容量电容时,比较电解电容器和薄膜电容器,可以清楚地说明两种类型的特性之间的差异。如图1所示,该转换器具有功率因数校正前端,标称直流母线.电容作为通过停电的能量存储。

  假设效率为90%,压差电压(Vd)为300 V,低于此值就会失去输出调节。如果发生中断,大容量电容器C1提供能量以维持恒定的输出功率,因为​​总线 V.我们可以计算出在电压降至300以下之前给出20 ms穿越所需的C1值五:

  TDK-EPCOS B43508系列的680F,450V铝电解电容器,外径35毫米×55毫米,满足53 cm3(约3立方英寸)的总体积要求。相比之下,使用薄膜电容器的解决方案将是不切实际的:多达15个TDK-EPCOS B32678薄膜电容器可能需要并联连接,因此总体积为1500 cm3(91立方英寸)。如果仅需要电容来控制直流线上的纹波电压,例如在EV动力系统中,则选择会发生显着变化。如前所述,总线 V,但是由电池供电,因此没有穿越要求。寻求将纹波在4 V rms范围内是很现实的,而下游转换器在20 kHz的开关频率下吸收80 A rms脉冲电流。所需的电容是:TDK-EPCOS B43508系列的180F,450V电解电容在60C时的纹波电流额定值约为3.5 A rms,包括频率校正。要处理80 A将需要并联23个电容器,从而产生4140F的不必要的大电容和大约1200 cm3(73立方英寸)的总体积。这与电流 - 电容器纹波电流额定值的20-mA /F经验相符。

  使用TDK-EPCOS B32678系列的薄膜电容器,只有四个并联器件在402 cm3(24.5立方英寸)的体积内提供132-A rms纹波电流额定值。此外,如果可以预期温度保持在70C以下,则可以选择尺寸更小的电容器。

  还有其他原因使薄膜电容器成为更好的选择。并联电解电容的过大电容可能导致诸如控制浪涌电流中的能量之类的问题。此外,在直流链连接上发生瞬态过电压时,薄膜类型更加坚固,这在电动汽车等轻型牵引应用中很常见。

  类似的分析适用于UPS系统,风力或太阳能发电机中的功率调节,通用并网逆变器和焊机等应用。电影作为首选可以从大容量存储或纹波能力的角度分析薄膜或电解电容器的相对成本。2013年公布的数据比较了由整流440 V交流电源供电的直流母线.薄膜和电解电容器之间的成本比较。考虑到这一分析,薄膜电容器是去耦,开关缓冲和滤波应用(如EMI或逆变器输出滤波)的绝佳选择。放置在逆变器或转换器的直流总线上的去耦电容器提供用于循环高频电流的低电感径。根据经验,每100 A切换使用约1F。值得注意的是,与电容器的连接应尽可能短,以避免引起瞬态电压。当电流大且频率高时,可以改变1000A /s。考虑到PCB走线 nH / mm,每毫米可以是1 V瞬态,具体如下:

  在开关缓冲电中,电容器与电阻器/二极管组合,并连接在电源开关(通常是IGBT或MOSFET)上,以控制dV / dt(图2)。缓冲器减慢振铃,控制EMI,并防止虚假的/关闭。缓冲电容通常选择为开关输出电容和安装电容之和的约两倍。然后选择电阻值以临界阻尼任何振铃。

  薄膜电容器也是X和Y电容器的理想选择,分别用于降低差模和共模噪声(图3),充分利用其自恢复和瞬态过压能力。安全额定X1(4kV)或X2(2.5 kV)电容器连接在电源线上,通常为聚丙烯类型,电容值为微法拉,符合适用的

  具有低连接电感的Y电容器以线电容器如图所示以线对地连接。泄漏电流考虑了可以的电容量。尽管薄膜电容器的低连接电感有助于保持高谐振,但是与地系统的外部连接也应保持较短。

  逆变器输出滤波非偏振薄膜电容器与电感器相结合,通常在单个模块中,产生低通滤波器,用于衰减驱动器和逆变器交流输出中的高频谐波(图4)。这些越来越多地用于满足系统EMC要求并减少与布线和电机相关的dV / dt压力,特别是当负载远离驱动单元时。

  了解电解和薄膜电容器在功率转换应用中的相对优势可以帮助设计人员做出正确的选择,以获得最佳的整体尺寸,重量和材料成本。它们可归纳如下:

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