薄膜电容和铝电解电容在直流支撑应用的换算关系-中文
薄膜电容替代电解电容在DC—Link电容中的运用分析
薄膜电容替代电解电容在DC—Link电容中的运用分析作者：罗荣海来源：《电子世界》2013年第13期【摘要】随着新能源产业的发展，变流技术相应得到普遍运用，DC-Link电容作为其中的关键器件选型尤为重要。
直流滤波器中DC-Link电容一般要求大容量、大电流处理以及高电压等特性，本文通过薄膜电容和电解电容特性对比以及相关运用分析，得出在要求工作电压高、承受高纹波电流（Irms）、有过电压要求、有电压反向现象、处理高冲击电流（dV/dt）以及长寿命要求的电路设计中，随着金属化蒸镀技术以及薄膜电容器技术的发展，薄膜电容在性能及价格方面替代电解电容将成为设计者今后选择的一种趋势。
【关键词】DC-Link电容；薄膜电容；电解电容；替代随着各国出台新能源相关政策以及新能源产业的发展，该领域的相关产业的发展也带来了新机遇，电容器作为必不可少的上游相关产品行业也获得了新的发展机遇。
在新能源及新能源汽车运用中，电容器在能源控制、电源管理、电源逆变以及直流交流变换等系统中是决定变流器寿命的关键元器件。
变流技术在上述系统中普遍得到运用，然而在逆变器中直流电作为输入电源，需通过直流母线与逆变器连接，该方式叫作DC-Link或直流支撑。
因逆变器在从DC-Link得到有效值和峰值很高的脉冲电流的同时，会在DC-Link上产生很高的脉冲电压使得逆变器难以承受。
所以需要选择DC-Link电容器来连接，一方面以吸收逆变器从DC-Link端的高脉冲电流，防止在DC-Link的阻抗上产生高脉冲电压，使逆变器端的电压波动处在可接受范围内；另一方面也防止逆变器受到DC-Link端的电压过冲和瞬时过电压的影响。
为新能源（含风力发电和光伏发电）以及新能源汽车电机驱动系统中DC-Link电容器的运用示意图图1、2。
图1为风力发电变流器电路拓扑图，其中C1为DC-Link（一般整合到模块上），C2为IGBT吸收，C3为LC滤波（网侧），C4转子侧DV/DT滤波。
薄膜电容器在风电PWM变流器直流环节的应用
薄膜电容器在风电PWM变流器直流环节的应用随着全球对可再生能源的日益重视，风电作为一种清洁、可再生的能源，正在得到越来越广泛的应用。
风能发电系统的核心是PWM变流器，其主要功能是将风机的三相交流输出转化为电网需要的恒定电压、恒定频率的交流电。
而在PWM变流器的直流环节中，为了保证能量的高效转换和系统的可靠性，薄膜电容器被广泛地应用。
薄膜电容器是一种电子元器件，其结构与电解电容器类似，但是薄膜电容器的电介质是一层薄膜，具有较高的电容值、长寿命、低损耗、高精度等优点。
在风电PWM变流器的直流环节中，薄膜电容器主要用于存储直流电能，平滑输出电压波动，同时具有快速响应和高效能转换的特点。
具体来说，薄膜电容器主要作用在风电PWM变流器的直流滤波电容器电路中。
在风电系统中，风能转化为电能的过程中需要经过一系列的转换，最终从风机中获得的是三相交流输出。
为了将交流输出转化为直流电，需要通过整流和平滑滤波处理。
而薄膜电容器在这个过程中扮演了重要角色。
当薄膜电容器接入PWM变流器直流电路中时，可以实现对电路中直流电压的平滑输出，避免因电压波动而影响电网稳定。
同时，由于薄膜电容器具有高效能转换和快速响应的特点，可以在较短的时间内存储和释放电能，确保风电系统的高效运行。
此外，薄膜电容器还可以在PWM变流器的驱动电路中发挥作用。
在风电PWM变流器中，需要通过驱动电路来控制IGBT管的开关，以实现对风机输出电流的控制。
而驱动电路需要通过存储电能并对电流进行控制，才能实现对IGBT管的快速开关。
薄膜电容器可以承担驱动电路中的存储电能和输出控制信号的任务，确保IGBT管的准确控制和风电系统的稳定运行。
需要注意的是，由于风电系统经常面临恶劣的环境条件，如温度波动、振动等，因此薄膜电容器需要具有高可靠性和长寿命，以确保风电系统的可靠性和稳定性。
同时，在使用薄膜电容器时，需要根据系统的实际需求选择合适的容值和电压等级，以确保电容器能够完全满足系统的要求。
薄膜电容和铝电解电容在直流支撑应用的换算关系
Disadvantage of using Electrolytic Capacitor •RMS current values limited at 20mA per uF.•Maximum nominal voltage is typically 500‐600V•Users must connect several capacitors series higherin for voltage applications •As the insulating resistance of these capacitors can vary from capacitor to capacitor, users must connect a resistor to each capacitor to balance the voltage.If voltage 1.5 applied,•a reverse higher than15times of rated voltage is applied a chemicalreaction occurs. If this reversal voltage lasts long enough, the capacitor will explode.•To avoid this risk, user has to connect a diode in parallel with each capacitors.•The surge voltage withstanding capability for electrolytic capacitor is 1.15 or 2 VnDC. This obliges users to take in account not the nominal voltage but the surge voltage.d f lAdvantage of using Film Capacitor High rms current capabilities up to 1ARMS per μF•μ•Over voltage withstanding up to 2 times the rated voltage •Handle voltage reversal•High peak current capabilities•No acid inside•Long lifetime•No storage problemN t blC min CalculationEnergy supplied with batteriesFunction•Decoupling capacitor, the main criteria for DC link is the ability to withstand rms current thus DC capacitor can be designed on rms current value.Example •Working voltage = 120Vdc•Ripple voltage allowed = 4Vrms•Rms current = 80Arms @ 20kHz.•Minimum capacitance value will beC min =I rms U ripple x C x πx f= 159uF•Comparison with electrolytic capacitor, if we take account 20mA per uF, in order to handle 80Arms, the minimum would be 4000uF.pp •Film capacitor has high rms current capabilities up to 1Arms per uF.C min CalculationIndustrial motor drive, energy supplied from supply network•Cost of DC‐link capacitor is remarkable thus sizing should be done carefully.•Size of the DC‐link capacitance can be determined from the ripple of a rectifier output voltage. •Minimum size of the capacitance can be calculated as followsC min=2xP(U max‐U min) x f rectifier 22where P is power in loadf rectifier is rectifier output frequency•Determining the actual size of the DC‐link capacitor, the tolerance of capacitance has to be takeng p pinto account. The tolerance of capacitance has to taken into account because the capacitance will decrease during the lifetime.Voltage DesignOver •Consider light traction applications like metro, tramway, electric buses, etc.•Power carried from catenary to train but discontinuity may occur.•case △V =overvoltage can reach 2X voltage.Worst △V catenary voltage, rated •Film capacitor can handle 2X of rated voltage•Comparison to electrolyte technology•Electrolyte handles 1.2DC voltage max•Therefore minimum voltage that electrolyte should handle would be5(2x1000V)/1.2 = 1670V•4 capacitors 450V in series would be needed.Reliability •Defined as the probability that a product performs it’s intended function ith t f il d ifi d diti f i i d f ti ywithout failure under specified condition for a given period of time. •Express as function of timeR(t) = e = e t =lifetime or operating time of product‐1/MTBF ‐t λt = lifetime or operating time of product MTBF = 1/λ, λdefines as system failure rateA lifetime prediction defines the time until one single unit is worn out•A lifetime prediction defines the time until one single unit is worn-outRelationship between Reliability and MTBF base on different lifetime definitionComponent Failure RateCapacitor LifetimeConclusionFilm capacitor have a huge advantage over electrolyte capacitors underthe following conditions•Need for over‐voltage•High rms currentHi h t•Small capacitance requirement•High voltage application >500Vg p y•Long lifetime expectancy10Characteristics of Capacitors11。
DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用研究
DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用研究发布时间：2023-01-15T03:02:57.769Z 来源：《工程建设标准化》2022年8月第16期作者：姚金平[导读] 为解决逆变器端较大电压动摇问题，避免逆变器受到DC-Link端的电压过冲与瞬时过电压相关影响，本文对DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用进行研究，分析电解电容存在的不足之处，即存储有漏电流增大和容量降低问题。
姚金平深圳市中测计量检测技术有限公司广东省深圳市 518000摘要：为解决逆变器端较大电压动摇问题，避免逆变器受到DC-Link端的电压过冲与瞬时过电压相关影响，本文对DC-Link电容中薄膜电容替代电解电容运用进行研究，分析电解电容存在的不足之处，即存储有漏电流增大和容量降低问题。
然后，以此为基础结合实例提出薄膜电容替代电解电容的具体方法，总结问题解决路径，为相关课题研究或工程技术提供参考。
关键词：点解电容；DC-Link电容；薄膜电容1.基于电容特性分析电解电容的不足与薄膜电容的优势1.1 电解电容与薄膜电容特性参数的对比分析从特性参数入手对电解电容与薄膜电容展开对比分析，具体如下所示：电解电容的电容量范围较大，为或F级；介质为氧化铝；介电系数为8～8.5；介质状态为液体；最高工作电压一般为450V；耐过电压能力为（1.15～1.2）；有极性；持续耐电流能力为20mA/；电压爬升速率低；寿命一般为（3～5）年；有存储问题，长期储存容易出容量下降或漏电流增大问题。
薄膜电容电容量范围较小，为级；介质为金属化薄膜；介电系数为2.2±0.2；介质状态为固态；最高工作电压一般为几千伏；耐过电压能力为2；无极性；持续耐电流能力为200mA/～1A/；电压爬升速率高；寿命一般为（8～10）万小时以上；无存储问题，性能长时间稳定对比分析能够了解到的是，相比于电解电容而言，薄膜电容的性能更为理想，有着更高的应用优势。
变流器中的直流支撑电容的原理介绍及应用
变流器中的直流支撑电容的原理介绍及应用摘要：在电力电子转换设备中，应用最为广泛的是电压型变流器(VSR)。
而直流支撑电容作为电压型变流器设计和应用的核心关键器件之一，本文介绍了两种变流器直流支撑电容一电解电容和薄膜电容的工作原理及特点，讨论了在目前机车变流器中选型和应用的注意事项。
关键词：变流器；直流支撑电容；原理一，机车变流器的发展趋势（一）高功率密度、通用模块化设计采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计理念已深入人心。
目前机车变流器应用最广泛的开关器件为绝缘门极双极晶体管（而随着变流器容量的增加，功率等级更高的集成门极换流晶闸管）可能将逐步得到推广应用。
（二）电压电流等级不断提高，拓扑结构更加灵活多样随着机车变流器的电压与电流等级的不断提高，适用于更高电压等级与容量的多电平变流器拓扑得到了广泛关注。
变流器采用多电平方式后，可以有效降低对单个功率器件耐压能力的要求，有利于更大输出容量、更高电压等级的系统实现；不仅实现了飞跨电容型三电平拓扑应用，甚至还基于开发出了飞跨电容型五电平变频器。
二、直流支撑电容的作用本文简单介绍了 HXD1 型变流器中直流支撑电容的作用、容量的取值、联接方式及放电检测方法。
为更深入地研究牵引变流器中的直流支撑电容提供一种了解途径。
在图1所示的交-直-交变流系统中，中间储能环节衔接整流和逆变两个环节，而支撑电容器作为一个储能器是必不可少的，主要起着以下几个方面的作用：1）补偿电机的无功功率电机是感性负载，要消耗无功功率，支撑电容对无功功率起补偿作用。
可以稳定电压，改善电机的输出性能。
2）提供负载变化时的能量调节当负载突然加大时，系统的直流电源不能瞬时地供给大量能量，引起电机转速下降，此时电容起到一个补偿能量的作用。
基于这一原因，也可以说支撑电容减弱了负载能量。
3）支撑中间直流回路电压，使其保持稳定因为变流器在短时间内能量的输入和能量的输出不对等，在中间直流支撑回路设置支撑电容，对直流支撑回路的电压进行滤波和缓冲。
用薄膜电容器替代铝电解电容器的分析与实践
用薄膜电容器替代铝电解电容器的分析与实践技术分类：电源技术1 前言铝电解电容器是制约变频器使用寿命的最关键的元件，其主要原因是铝电解电容器的寿命问题，特别在变频器这样的高谐波电流、高温的应用场合。
相对其它元件而言，铝电容电容器的寿命是最短的。
2 “直流支撑”与“DC-Link”电容器的作用在直流电作为逆变器的供电电源时，由于这个直流电源需要通过直流母线与逆变器链连，这种供电方式也被称为“DC-Link”。
由于逆变器需要向“DC-Link”索取有效值和幅值很高的脉动电流，会在“DC-Link”上产生很高的脉动电压使得逆变器难以承受。
为此，需要对“DC-Link”进行“支撑”，以确保“DC-Link”的供电质量。
在大多数情况下，支撑“DC-Link”的元件是电容器。
“DC-Link”电容器的作用主要是吸收来自于逆变器向“DC-Link”索取的高幅值脉动电流，阻止其在“DC-Link”的阻抗上产生高幅值脉动电压，使逆变器端的电源电压波动保持在允许范围。
“DC-Link”电容器的第二个作用就是防止来自于“DC-Link”的电压过冲和瞬时过电压对逆变器的影响。
3 工频多相整流的直流母线电容器的作用三相桥式整流电路或12相整流电路用于负载电流没有突变的应用中，没有必要在整流输出端跨接直流母线电容器，由于没有电流突变，整流器及交流电源的寄生电感生产的感生电势不会很高而影响输出电压。
然而，当负载为开关功率变换器时，开关功率变换器将向直流母线索取开关频率下的纹波电源，如果这个电流流入直流母线及交流侧的寄生电感，将会产生不能容忍的开关频率下的纹波电压。
从这一点看，直流电源不再是仅仅提供直流电流，而是需要提供带有丰富交流成分的脉冲电流，这时的直流电源不仅需要低的直流内阻，还需要在很宽的频带宽度内均具有良好的低阻抗。
而这个宽频段的低阻抗作为整流器的直流电源是不会提供的，要想获得良好的宽频段的低阻抗必须应用性能良好的电容器。
薄膜电容与电解电容
薄膜电容与电解电容一、概述电容是电路中常见的一种被动元件，用于存储电荷。
根据其结构和工作原理的不同，可以分为薄膜电容和电解电容两种类型。
本文将对这两种电容进行详细介绍。
二、薄膜电容1. 结构薄膜电容是一种以金属箔或金属膜为极板，以绝缘材料为介质的电容。
其结构分为单层结构和多层结构两种。
2. 工作原理当在两个极板之间加上不同的电势时，会在介质中形成一个电场，使得极板上的正负离子发生移动。
由于介质的特性不同，不同类型的薄膜电容具有不同的介质常数和耗散因子。
3. 应用领域由于其体积小、重量轻、精度高等优点，薄膜电容广泛应用于各种仪器仪表、通信设备、计算机等领域。
三、电解电容1. 结构电解电容是一种以金属箔或金属网为极板，以氧化铝或氧化钽等为介质的电容。
其结构分为铝电解电容和钽电解电容两种。
2. 工作原理当在两个极板之间加上不同的电势时，会在介质中形成一个电场，使得极板上的正负离子发生移动。
由于氧化铝或氧化钽具有很高的介电常数和良好的绝缘性能，因此可以制成高容量、高精度的电解电容。
3. 应用领域由于其体积小、重量轻、精度高等优点，电解电容广泛应用于各种仪器仪表、通信设备、计算机等领域。
四、薄膜电容与电解电容的区别1. 结构薄膜电容以金属箔或金属膜为极板，以绝缘材料为介质；而电解电容以金属箔或金属网为极板，以氧化铝或氧化钽等为介质。
2. 工作原理虽然两者的工作原理基本相同，但是由于介质不同，其特性也不同。
薄膜电容具有较小的耗散因子和较高的品质因数；而电解电容具有较大的电容值和较高的工作电压。
3. 应用领域薄膜电容广泛应用于各种仪器仪表、通信设备、计算机等领域；而电解电容则更多地应用于功率电子设备和音响设备等领域。
五、总结薄膜电容和电解电容都是常见的被动元件，广泛应用于各种仪器仪表、通信设备、计算机等领域。
两者在结构和工作原理上有所不同，因此在应用时需要根据具体情况选择合适的类型。
薄膜电容器代替铝电解电容器
薄膜电容器代替铝电解电容器技术浅析从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。
根据应用，在电压超过2000VDC时，填注菜籽油的电容被推荐使用。
膜电容具有的许多优势，使膜电容替代电解电容成为了工业和机车功率变换市场的趋势。
这些优势包括了：a\ 承受高有效值电流的能力b\ 能承受1.5倍于额定电压的过压c\ 能承受反向电压d\ 承受高峰值电流的能力e\ 没有酸污染f\ 长寿命g\ 可长时间存储但是，这种替代并非“微法对微法”的替代，而是功能上的替代。
当然，尽管膜电容技术有了长足的进展，但不是所有的应用领域都能替代电解电容。
为了帮助使用者理解，我们将介绍一些具体的例子，在这些例子里，显示了膜电容的优势。
金属化技术原理在电介质膜上，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。
金属化工艺首先，对聚合物膜（聚丙烯）进行处理，使金属原子能够附着在膜上。
金属在真空下蒸发（对铝1200°C）浓缩到被处理过的膜表面（膜被冷却到-25 °C 至 -35°C）形成金属层。
生产设备的图示金属化膜的自愈效应是提高电压梯度的主要因素。
即使聚合物膜的质量得到很大的改善，主要的发展还是在金属化上。
今天，对于干式技术，在脉冲应用中，电压梯度能够达到500 V/μm以上，在DC滤波的应用中，电压梯度能够达到250 V/μm。
由于电容是按照IEC 61071标准进行的设计，电容能够承受几次达两倍于额定电压的浪涌电压的冲击而不会有明显的寿命缩短现象。
所以，用户只需考虑应用中所需要的标称电压。
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替代电解电容的薄膜电容技术
DC-Link电容器应用
在过去多年的发展中，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，现在薄膜生产商开发出更薄的膜，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，聚丙烯薄膜电容能够比电解电容更加经济地覆盖600VDC 到2200VDC的电压范围。
薄膜电容具有的许多优势，使它替代电解电容成为工业和电力电子功率变换市场的趋势。
这些优点包括了：
承受高的有效电流的能力
能承受两倍于额定电压的过压
能承受反向电压
承受高峰值电流的能力
长寿命，可长时间存储
但是，只种替代并非“微法对微法”的替代，而是功能上的替代.
当然，尽管膜电容技术有了长足的进展，但不是所有的应用领域都能替代电解电容。
电解电容技术
典型的电解电容的最大标称电压为500 到600V。
所以在要求更高电压的情况下，使用者必须将多只电容串联使用。
同时，由于各电容的绝缘电阻不同，使用者必须在每个电容上连接电阻以平衡电压。
此外，如果超过额定电压1.5倍的反向电压被加在电容上时，会引起电容内部化学反应的发生。
如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。
为了避免这种危险，使用者必须给每个电容并联一个二极管。
在特定应用中电容的抗浪涌能力也是考察电容的重要指标。
实际上，对电解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是VnDC的1.15或1.2倍（更好的电解电容）。
这种情况迫使使用者不得不考虑浪涌电压而非标称电压。
直流支撑滤波：高电流设计和电容值设计
a) 使用电池供电的情况
应用为电车或电叉车
在这种情况下，电容被用来退耦。
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
以电车为例，要求的数据
工作电压: 120VDC
允许的纹波电压: 4V RMS
有效值电流: 80 A RMS @ 20 kHz
最小容值为
与电解电容比较：
以每μF 20 mA为例，为了承受80A有效值电流，最小容值
b)电网供电的电机驱动
直流母线电压波形:
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：
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
通过上述近似式，我们能看出通过电容的有效值电流由负载功率Umax 和U ripple决定。
以下用一个具体的例子作解释
直流电压1000V，纹波电压200V
I rms ：(P=1MW) = 2468Arms
(P=500kW) = 1234Arms
(P=100kW) = 247Arms
将低频部分放大：
为了方便比较，我们选择电流承受能力为20mA每μF的电解电容
考虑到0.2Arms/μF,有效值电流为2468A时，需要的最小容值为123.4mF。
对应图中曲线的值，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18.5mF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。
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555μF的电容，供电电压与纹波电压仍然与前面相同。
替代电解电容的薄膜电容技术
DC-Link电容器应用
过压设计
现在我们来看轻型牵引的应用，如：地铁，轻轨，电车等。
直流支撑电压波形: 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。
其中
更糟的情况是?V =吊线电压, 因为过压会达到额定电压的几乎2倍。
膜电容可以承受这种过压。
电解电容可承受最大1.2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需要四支450V的电解电容串联。
考虑部分从网上得到的数据，10mF的电解电容，体积为26升，最大有效值电流为20Arms。
而相同容值的膜电容，体积为25 升，最大有效值电流可比500Arms还高。
另外，由于过压的出现，也出现了流过电容的峰值电流。
因此我们必须计算因过压产生的能量
I2t =
在几个周期后，电流变为零,那么：
其中：
这种能量的计算也被用于端间短路放电的过程。
.这样的放电会产生非常高的峰值电流与振铃，这是电解电容不能承受的。
电压的额定
对于要求高额定电压的场合，膜电容的解决方案无疑很有优势。
但如果要求高容值的场合，膜电容解决方案的竞争力就会减弱。
的确，如果没有过压，有效值电流很低，同时需要大容值的场合，在900V以下的应用中，膜电容很难与电解电容竞争。
寿命计算:
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：
我们可以从这些曲线中看出，在工作电压为额定电压并且热点温度为70°C的情况下，膜电容的设计寿命为100,000小时。
寿命结束的标准为2％的电容容值的减少。
然而，这是寿命结束的理论值，因为，在到达该点以后，电容仍然能够使用。
如果在应用中允许5%的容值减少，寿命将得到显著的增加。
热点温度由下述的表达式决定：
其中，θmax hot spot ：最大热点温度
tgδ0：电介质损耗
Rth：热阻
Rs：串联电阻
结论
以上我们为工程师进行设计优化提供了技术参考，在实际应用中仍然需要完整的计算。
然而，如果设计要求为低电压、低有效电流、无反向电压，同时也没有峰值电流，那膜电容技术不合适。
但如果设计要求为高电压、高有效电流、有反向电压和过压，同时也有峰值电流，还有长寿命要求，那么聚丙烯金属化膜电容是最好的选择。