电力电子行业金属化薄膜电容

电力电子行业金属化薄膜电容機密-僅供内部使用现工业领域的电力电子对元器件的选择有了更高的要求,无论是电气特性方面还是环境的操作条件的要求。电容器也不例外，产品的可靠性越来越成为关键。在电力电子应用中，薄膜电容器比其他电容器更具有优势。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DC-LINK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ESR和ESL、长寿命、(干式防爆)、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DC-LINK应用薄膜电容替代电解电容是一种趋势。機密-僅供内部使用薄膜电容的优势薄膜电容的发展趋势（针对DC-LINK）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器的工艺流程对薄膜电容和电解电容对比分析DC-LINK电容在电力电子设备中的功能和应用。薄膜电容的优势•1.承受高有效电流的能力，最高可达1Arms/μF。•2.抗浪涌能力强，能承受2UnV的浪涌电压•3.承受高峰值的电流能力，dv/dt高达100V/μs,ESL电感量小，充放电速度快。•4.耐压高，能承受1.5倍于额定电压的过压。•5.无极性，能长期承受反向脉冲电压。•6.介质损耗小，ESR小，产品内部温升低，温度特性好。•7.体积小，长寿命，没有酸污染。•8.可长时间存储。•9.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。機密-僅供内部使用从1980年开始，使用金属化膜以及膜上金属分割技术的DC滤波电容得到了长足的发展。在过去多年的发展中，电容的体积和重量减小了3到4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600VDC到1200VDC之间的电压范围。1、干式替代油浸式油浸式电容因为将油浸渍到薄膜里面（1200V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。薄膜电容的发展趋势2、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熔丝的方式进行防爆，而现在国外干式薄膜电容一般采用更为先进的电气式防爆，即采用网状安全膜，而电气式防爆比压力式防爆和内部串联熔丝防爆可靠性更高、防爆效果更好。下面是安全膜示意图機密-僅供内部使用网状安全膜示意图T型安全膜示意图機密-僅供内部使用介质—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响到薄膜电容的寿命和电气性能，国内做PP薄膜最好的厂家和国外的高品质的PP薄膜（如德国的史泰拿、创斯普、法国的波洛莱和日本东丽等）差距还相当大，特别是影响电容寿命、耐压和高温特性的PP薄膜结晶度，国内厂家只能做到60~65%结晶度，而国外的能达75~80%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50%、耐压高30%以上。薄膜电容最关键的材料機密-僅供内部使用日本东丽，德国创斯普目前日本东丽已为我们的战略供应商，和我们配合开发产品，近期采用新型材料J系列，大幅度提高了电容的耐压能力，现配合我们的高方阻技术，进一步提高了产品的耐压能力和自愈能力.(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图1:单面结构图2:单面内串结构图3:双面内串结构图4:铝箔/金属化膜串联薄膜电容的常见内部结构及简单分类機密-僅供内部使用图1:单面结构機密-僅供内部使用图2:单面串联機密-僅供内部使用图3:双面串联機密-僅供内部使用图4:铝箔串联機密-僅供内部使用图3:双面多串联機密-僅供内部使用A.内部结构分类1双面金属化膜,内部串联结构2单面金属化膜,内部串联结构3单面金属化膜,内部不串4单面金属化膜,网状安全结构B.按外形结构分类1外包胶纸,轴向引出:引线,片,螺孔2标准塑料外壳封装,线/片引出3标准金属外壳,螺孔/螺杆引出4定制，异型外壳機密-僅供内部使用C.按目标用途分类Snubber(吸收)(PSD,PSC,PSM)DC-link(直流滤波,直流链支撑)(PDP,PDF,PDE,PDB)AC-filter(交流滤波,LC,)(PAF,PAR)Resonant(谐振)(PSC,PGH)Switching(开关)(PWH)機密-僅供内部使用外包胶纸,轴向引出标准铝外壳,螺孔/螺杆引出:機密-僅供内部使用外包胶纸,轴向引出标准塑料外壳封装,片/线引出标准铝外壳,螺孔/螺杆引出定制，异型外壳warehousePackingFinalinspectionMarkingPourepoxyresinAssemblingWeldMiddleinspectionVoltagecleaningSpraymetalHeattreatmentWinding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金芯子热定型芯子卷绕薄膜电容器的工艺流程.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：电解电容属有感式卷绕，电流的流向路程远（等于电解铝箔的长度），造成电解电容的ESL和ESR较大，所以在经受大的纹波电流时发热严重；而薄膜电容采用的是无感式卷绕，电流的流向路程短（等于薄膜的宽度），薄膜电容的ESL和ESR极小，所以能承受大的纹波电流而不发热。2、寿命对比电解电容的寿命一般只有2000~3000小时，而长寿命的也只有5000~6000小时，而且容易发生漏液和存在保质期；而薄膜电容寿命一般是100000小时以上，而且是干式和无保质期限；下面是薄膜电容的寿命曲线图：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示意图C1：直流链支撑（DC-Link）C2：逆变回路中IGBT、IPM模块突波电压吸收C3：AC滤波电容，输出端高频纹波吸收二、C1：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2.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：E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2其中:E为每次IGBT导通时所需能量，U为电容导通前的电压，△U为纹波电压的峰峰值，C为电容容量。E的一般理论计算方法（每KW所需平均能量）：E=3600000/3600/f=1000/f（其中f为PWM载波频率）以f=2KHz为例，E=0.5J，假如直流母线电压U=1000V时，要求高频纹波电压△U为2%（即△U=20V），根据E=1/2CU2-1/2C(U-△U)2可以算出C=25.25μF,同时用IGBT整流的风电变流器，整流侧能提供50%以上的能量，所以可以得出，每KW功率机器所需DC-LINK电容的容量为12.5μF以上即可满足要求，实际应用时留点余量，所以我们推荐是15~25μF/KW。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求。例如，2MW/690VAC的风电变流器，以每KW功率需DC-LINK电容的容量为17.5μF，那么2MW要的总DC-LINK电容的容量为35000μF。二、C2：逆变回路中IGBT、IPM模块突波电压吸收IGBT保护电容主要是用来缓冲IBGT开关时产生的高脉冲电压和电流；IGBT保护电容有如下特点：特高的Du/dt、大电流、高频特性好、自愈性、极小的ESR、无感结构。电压选择：跟据客户IGBT电压等级来选择，电容额定电压一般不低于IGBT电压等级。容量选择：容量为：IGBT实际工作电流每100A使用容量大约1UF。三、C3:AC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，符合滤波电容和电感的谐振点在载波频率的1/4~1/5的条件时，滤波效果较好。例：高压变频器DC-LINK的应用在高压变频器的DC-LINK这个应用场合，薄膜电容以其优越的电性能逐步得以广泛应用，下面简单介绍一下DC-LINK电容在高压变频器中的选取方法：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、功率单元柜及控制柜组成，见图1所示。图1、高压变频器装置的构成图二、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频电源的产生模块。功率单元柜主要由功率单元箱（图1中A1～An,B1～Bn，C1～Cn）并辅以控制构成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U/V输出。整流由三相不控整流完成。逆变部分采用IGBT功率器件，控制方法采用SPWM（pwm脉冲宽度调制）逆变控制技术。•.图2、功率单元电气原理图图3、功率单元相串原理功率单元中电压、功率换算关系:1、相电压=线电压/√32、功率单元电压=相电压/功率单元串联数3、功率单元功率=变频器总功率/功率单元串联数/3例如：6kVAC的高压变频器，功率为1.5MW，每相由6个功率单元串联叠加而成，3相共18个功率单元，那么：相电压=6000/√3=3464.2VAC功率单元电压=3464.2/6=577.4VAC功率单元功率=1500/6/3=83.3kW对于3kV高压变频器，每相一般由3～4个功率单元串联叠加而成；对于6kV高压变频器，每相一般由5～7个功率单元串联叠加而成；对于10kV高压变频器，每相一般由8～10个功率单元串联叠加而成；电压：≥1.1*√2*功率单元电压容量：30～50UF/KW例如：6kVAC的高压变频器，功率为1.5MW，每相由6个功率单元串联叠加而成，3相共18个功率单元，那么：1、DC-LINK电容的电压：≥1.1*√2*577.4=898VDC一般可以选择1000-1100VDC电压等级的电容2、DC-LINK电容的容量：83.3*（30～50）=2500～4165UF所以每个功率单元组可以选择的电容范围在2500～4000UF都可以，这要看客户的成本承受能力来进行选择。•1.混合动力汽车变频器•2.静止无功发生器•3.风力发电变频器•4.太阳能发电逆变器•5.高压变频器主要目标行业•高频开关电源、通用变频器、UPS/EPS、感应加热电源、逆变焊机、逆变电源、GTO钳位与吸收，有源电力滤波器，LC滤波(单相,三相Y/△)其他行业：1.DC平滑滤波时纹波峰电压值不超过200V比较合适。2.IGBT导通的时的高频纹波电压≤100V3.在桥式整流电路中，与IGBT使用最近电容的温升不应超过20℃.4.在容量的选取考虑平滑滤波纹波电压和高频纹波电压的大小。5.要考虑过有效电流能力和过脉冲电流冲击能力。6.DT（温升）要控制，注意产品的热平衡，(温升控制在10℃以下最好）7.过流/短路保护（特别是AC电容）8.拆装电容时确保电容器已放电干净。。。薄膜电容器使用注意事项：常见的失效模式(1)电容器击穿a.电介质材料有疵点或缺陷,或含有导电杂质或导电粒子;b.电介质的电老化（耐压不够）与热老化（电流过大，温升过高）;c.介质过度“自愈“,引起热击穿;d.电介质，电极在电容器制造过程中受到机械损(2)电容器开路a.引出线与电极接触不良，焊接不牢.