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  • 電力電子行業金屬化薄膜電容

    2019-12-03 09:32:27 bqg52503721 61

    現代工業領域的電力電子對元器件的選擇有了更高的要求,無論是電氣特性方面還是環境的操作條件的要求。電容器也不例外,產品的可靠性越來越成為關鍵。在電力電子應用中,薄膜電容器比其他電容器更具有優勢。

    薄膜電容以其優越的電性能在高壓高頻大功率電力電子設備中得以廣泛應用,特別在 DC-LINK 這個應用場合,薄膜電容與電解電容相比較具有高紋波電流承受能力、耐高壓、低 ESR 和 ESL、長壽命、 (干式防爆)、無極性和高頻特性好等優越的電氣性能,在高壓大功率電力電子設備中DC-LINK應用薄膜電容替代電解電容是一種趨勢。

    薄膜電容的優勢

    ? 1.承受高有效電流的能力,最高可達1Arms/μF。

    ? 2.抗浪涌能力強,能承受2UnV 的浪涌電壓

    ? 3.承受高峰值的電流能力,dv/dt高達100V/μs, ESL電感量小,充放電速度快。

    ? 4.耐壓高,能承受1.5倍于額定電壓的過壓。

    ? 5.無極性,能長期承受反向脈沖電壓。

    ? 6.介質損耗小 ,ESR小,產品內部溫升低,溫度特性好。

    ? 7.體積小,長壽命,沒有酸污染。

    ? 8.可長時間存儲。

    ? 9. 替代電解并非等額容量替代,而是功能上的替代,根據不同的要求確定容量。

    薄膜電容的發展趨勢 (針對DC-LINK)
    從1980年開始,使用金屬化膜以及膜上金屬分割技術的DC濾波電容得到了長足的發展。在過去多年的發展中, 電容的體積和重量減小了3到4倍?,F在薄膜生產商開發出了更薄的膜,同時改進了金屬化的分割技術極大的幫助了這種電容的發展。用干式設計,使膜電容能夠比電解電容更加經濟地覆蓋600VDC到1200VDC之間的電壓范圍。

    1、干式替代油浸式

    油浸式電容因為將油浸漬到薄膜里面(1200V以上的電容更加),當電容發生漏液或者油發生老化時因油直接接觸到薄膜及金屬鍍層電極,會對電容的性能產生影響,大大縮短了電容的壽命,而干式電容可以解決以上問題,而且減化了生產工藝,保證了產品的一致性。

    2、電氣防爆替代壓力防爆

    油浸式電容一般采用壓力式防爆或采用內部串聯熔絲的方式進行防爆,而現在國外干式薄膜電容一般采用更為先進的電氣式防爆, 即采用網狀安全膜,而電氣式防爆比壓力式防爆和內部串聯熔絲防爆可靠性更高、防爆效果更好。

    薄膜電容的關鍵材料

    介質—塑料薄膜(如:聚丙烯(PP),聚酯(PET),聚碳酸酯(PC),聚苯硫醚,(PPS) ),塑料薄膜的性能直接影響到薄膜電容的壽命和電氣性能,國內做 PP 薄膜最好的廠家和國外的高品質的 PP 薄膜(如德國的史泰拿、創斯普、法國的波洛萊和日本東麗等)差距還相當大,特別是影響電容壽命、耐壓和高溫特性的 PP 薄膜結晶度,國內廠家只能做到 60~65%結晶度,而國外的能達 75~80%的結晶度,并逐步在提高,這樣如果用相同的厚度的薄膜、相同的工藝做的產品,國外的高品質膜會比國內最好的膜做的產品壽命長 50%、耐壓高 30%以上。

    薄膜電容的常用結構及分類

    A. 內部結構分類

    1 雙面金屬化膜,內部串聯結構

    2 單面金屬化膜,內部串聯結構

    3 單面金屬化膜,內部不串

    4 單面金屬化膜,網狀安全結構

    B.按外形結構分類

    1 外包膠紙,軸向引出:引線,片,螺孔

    2 標準塑料外殼封裝,線/片引出

    3 標準金屬外殼,螺孔/螺桿引出

    4 定制,異型外殼

    C.按目標用途分類

    Snubber(吸收)(PSD,PSC,PSM)

    DC-link(直流濾波,直流鏈支撐)(PDP,PDF,PDE,PDB)

    AC-filter(交流濾波,LC,)(PAF,PAR)

    Resonant(諧振) (PSC,PGH)

    Switching(開關)(PWH)

    對薄膜電容和電解電容對比分析

    1、電性能(從產品設計及結構上進行分析)

    電解電容采用的是隱箔式有感卷繞結構,而薄膜電容采用的是金屬化薄膜無感卷繞結構,如下圖所示:

    從上面的電解電容和薄膜電容的結構示意圖可以看出:電解電容 屬有感式卷繞,電流的流向路程遠(等于電解鋁箔的長度),造成電 解電容的 ESL 和 ESR 較大,所以在經受大的紋波電流時發熱嚴重; 而薄膜電容采用的是無感式卷繞,電流的流向路程短(等于薄膜的寬 度),薄膜電容的 ESL 和 ESR 極小,所以能承受大的紋波電流而不發熱。

    2、壽命對比

    電解電容的壽命一般只有 2000~3000 小時,而長壽命的也只 有 5000~6000 小時,而且容易發生漏液和存在保質期;而薄膜電 容壽命一般是 100000 小時以上,而且是干式和無保質期限;下面 是薄膜電容的壽命曲線圖:

    DC-LINK電容在電力電子設備中的功能和應用
    薄膜電容在電力電子設備中的示意圖

    C1:直流鏈支撐(DC-Link)

    C2:逆變回路中 IGBT、IPM 模塊突波電壓吸收

    C3 : AC濾波電容,輸出端高頻紋波吸收

    二、 C1:直流鏈支撐(DC-Link)

    1.DC-LINK電容在電力電子設備中的功能主要是為后級逆變系統的功率器件開通瞬間提供有效值和幅值很高的脈動電流

    2.功能替代的理論分析(容量選擇方法分析)

    高頻紋波電壓計算方法:E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2

    其中:E 為每次 IGBT 導通時所需能量,U 為電容導通前的電壓, △U 為紋波電壓的峰峰值,C 為電容容量。

    E 的一般理論計算方法(每 KW 所需平均能量):

    E=3600000/3600/f=1000/f(其中 f 為 PWM載波頻率 )

    以 f=2KHz 為例,E=0.5J,假如直流母線電壓 U=1000V 時,要求高頻紋波電壓△U 為 2%(即△U=20V),根據 E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2 可以算出 C=25.25μ F,同時用IGBT整流的風電變流器,整流側能提供50%以上的能量,

    所以可以得出,每KW功率機器所需DC-LINK電容的容量為12.5μF以上即可滿足要求,實際應用時留點余量,所以我們推薦是15~25μF/KW。紋波電流在我們的計算中不作考慮,因為薄膜電容的紋波電流承受能力完全可以滿足要求。

    例如,2MW/690VAC的風電變流器,以每KW功率需DC-LINK電容的容量為17.5μF,那么2MW要的總DC-LINK電容的容量為35000μF。

    二、C2:逆變回路中 IGBT、IPM 模塊突波電壓吸收

    IGBT保護電容主要是用來緩沖IBGT開關時產生的高脈沖電壓和電流;

    IGBT保護電容有如下特點:特高的Du/dt、大電流、高頻特性好、自愈性、極小的ESR、無感結構。

    電壓選擇:跟據客戶IGBT電壓等級來選擇,電容額定電壓一般不低于IGBT電壓等級。

    容量選擇:容量為:IGBT實際工作電流每100A使用容量大約1UF。

    三、C3:AC濾波電容:在變流器中的功能主要是濾除IGBT逆變器產生的高頻紋波,使變流器并網時有一個符合要求的正弦波電壓。

    電壓選擇:跟據客戶的變流器輸出電壓來選擇,電容額定電壓不低于客戶使用電壓。

    容量選擇:根據客戶要求;一般選擇容量時,符合濾波電容和電感的諧振點在載波頻率的1/4~1/5的條件時,濾波效果較好。

    主要目標行業

    1.混合動力汽車變頻器

    2.靜止無功發生器

    3.風力發電變頻器

    4.太陽能發電逆變器

    5.高壓變頻器

    其他行業

    高頻開關電源、通用變頻器、UPS/EPS、感應加熱電源、逆變焊機、逆變電源、GTO鉗位與吸收 ,有源電力濾波器,LC濾波 (單相,三相Y/△)

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