DC-Link电容器应用
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。
车用dc-link薄膜电容
车用dc-link薄膜电容
DC-link电容是指汽车用的直流连接电容，它由特殊的聚酯或纸质膜片电容以及绝缘耐用，耐高温的涂料和绝缘器组成。
这种特殊设计使得电容特别适合于汽车应用，可以更好地保护汽车电子系统，使其在高温环境下可靠运行，而且可以有效地防止电路中的短路故障。
DC-link电容具有高绝缘强度和耐高温，存在一定的抗震性和耐冲击性，在汽车上的使用性能优于普通电容，可以更好地保护汽车电子系统，使其可靠运行，而且可以有效地防止电路中的短路故障。
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dc-link电容原理
dc-link电容原理
DC-link电容是一种用于电力电子设备中的重要元件，它在直流电路中发挥着关键的作用。
在本篇文章中，我将向您介绍DC-link电容的原理和其在电力电子领域中的应用。
让我们来了解一下DC-link电容的原理。
DC-link电容是一种储能元件，它被连接在直流电源和电力电子器件之间，用于稳定和平滑直流电压。
当直流电源提供电能时，电容会储存电能，并在负载需要时释放电能。
这种能量储存和释放过程使得电力电子设备能够在瞬时负载变化时保持电力平稳输出。
在电力电子领域中，DC-link电容被广泛应用于各种电力转换器和逆变器中。
例如，在交流电机驱动系统中，DC-link电容用于平滑逆变器输出的直流电压，使电机能够稳定运行。
此外，DC-link电容还可以用于电力电子设备中的谐振电路，以提高系统的效率和稳定性。
除了以上应用外，DC-link电容还可以用于电动汽车和太阳能逆变器等领域。
在电动汽车中，DC-link电容被用于储存和释放电能，以满足电动汽车在加速和减速时的能量需求。
而在太阳能逆变器中，DC-link电容则用于平滑太阳能电池板输出的直流电压，以确保逆变器输出的交流电压质量。
DC-link电容是电力电子设备中不可或缺的元件，它通过储存和释放电能来稳定和平滑直流电压。
在各种电力电子设备中，DC-link电容
发挥着重要的作用，保证了系统的稳定性和效率。
随着电力电子技术的不断发展，DC-link电容的应用领域也将不断扩大。
相信在不久的将来，DC-link电容将在更多的电力电子设备中发挥着重要的作用。
薄膜电容器选型与应用
薄膜电容器选型与行业应用————光伏逆变器行业变频器行业 风电行业 交流滤波电容 其他场合一、光伏行业DC-link电容DC-link电容（大功率27μF-30μF/KW 薄膜电容）二、变频器行业DC-link电容输入电压等级 DC-Link 电容 吸收电容 LC 交流滤波电容 220V.AC-440V.AC 薄膜电容电压Un=700V.DC 0.1-2μF/1200V.DC Un=450V.AC 660V.AC-690V.AC薄膜电容电压 Un=1100V.DC 0.47-2.5μF/1600V.DC Un=850V.AC 1140V.AC薄膜电容电压 Un=2000V.DC0.47-3μF/3000V.DCUn=1140V.AC2000μF/1200VDCSVG客户的选型420/470 uf –1100/1200V .DC500/1200/2000/3000 uf –1200V .DC功率P DC-Link 电容 吸收电容 交流滤波电容500KW 园柱SCREW 型400μF-500μF/1100V .DC 27-30只并联 采用6只 方块铜片型0.47-1.5μF/1600V .DC 金属盒三角接法SCREW 型 3×200μF/450V .AC 250KW 园柱SCREW 型200-420 多只并联总容量在6000uf采用3只 方块铜片型0.47-1.5μF/1600V .DC金属盒三角接法SCREW 型 3×200μF/450V .AC 100K 园柱SCREW 型 420uf 6只并联方块铜片型 1μF/1200V .DC 金属盒三角接法SCREW 型 3×200μF/450V .AC50K 方块导针型 10μF-50μF 多只并联方块铜片型0.47μF/1200V .DC20μF/450V .AC (自己采用三角接法)，会选园柱SCREW 型的备注 采用容量小，多只并联，这样同等容量流过DC-LINK 电容有效电流大， I 总rms≥nI 输出电流容量选取不是容量越大越好，主要通过IGBT 开关频率和功率选取容量 选择交流电容设计电容的有效电流多少，这主要载波频率有关系逆变器输出总功率对应４７０ＵＦ电容折算数量6kv/250A =1.5兆瓦10kv/200A/400A/600A/800A/1000A,=2/4/6/8/10兆瓦1.5MW2MW4MW6MW8MW 10MW180只198只429只648只864只1080只――－依470 uf –1100/1200V.DC折算出的电容数量；---风电变流器行业容量选取可参照此案，但务必对电压考虑裕量； 三、IGBT 保护电容（snubber）IGBT 实际工作电流每 100A 使用容量大约 1UF。
浅谈车用薄膜电容热仿真
• 21•高性能 DC-Link 薄膜电容器是一种应用于直流滤波场合的电容器，主要用来替代电解电容器。
在过去多年的发展中，使得薄膜电容器在该应用场合替代电解电容器成为了一种趋势。
近年来，我国汽车行业十三五的发展规划中希望新能源汽车能形成规模，在这巨大的市场前提下，国内外整车厂投入了大量的人力物力来发展电动和混动新能源汽车，从而促进了新能源汽车的不断发展，DC-Link 薄膜电容作为电力驱动器的主要电子元器件之一也有飞速的发展。
车载电容在实际应用过程中，发热和工作寿命是不可以忽视的。
而对于薄膜电容来讲安全是极其重要的，原因在于逆变器工作时，电容母排上的电流让母排发热，而纹波电流使电容芯子发热，从而产生温升。
而驱动器是一个密闭的空间，其当驱动器长期工作时电容的温升更为明显，当温度超过一定限制时，薄膜电容会出现鼓胀、击穿乃至爆炸等危险。
随着技术的发展，电容作为占据驱动器30%以上体积的主要元件，小型化是它的发展方向，当产品体积缩小，散热面积减少，工作过程中单位体积的发热量增加，对电容的热影响又加剧了。
因此对DC-Link 薄膜电容器的进行热分析，利用仿真模型进一步分析了驱动器外部的装配条件、散热条件薄膜电容器内部温度分布的影响，对电容的设计进行优化改善产品结构，对提高产品安全性有具有非常重要的意义。
本文以本公司车用C36产品为模型进行仿真分析。
采用热仿真和试验验证的方法研究其在一定环境条件下的温度分布。
重点研究了薄膜电容器在电机额定工况下稳态时的温度分布，并对该电容器在此工况下进行验证试验得出实际稳态时的温度分布。
通过对比仿真分析与温升试验测试的结果，验证了仿真模型的有效性。
1 热仿真1.1 基本假设及Solidwoks建模为了建立DC-Link 薄膜电容器的热特性的数学模型，我们对物理模型进行如下的简化和假设：①将电容器当做一个整体，电容充放电过程发热过程各部件为常物性，比热不变。
热仿真软件解算能力较强大但实体建模的功能比较薄弱，因此我们借助Solidwoks 建模将电容分为：芯子、母排、绝缘纸、环氧料、外壳五个组件，并将其按电容设计配合。
柔性直流输电工程中用直流支撑电容器的应用
柔性直流输电工程中用直流支撑电容器的应用发表时间：2018-05-14T10:16:10.277Z 来源：《电力设备》2017年第35期作者：谢永安鸽[导读] 摘要：本文主要介绍了柔性直流输电系统用直流支撑电容器，该电容器属于金属化薄膜介质的自愈式电容器，技术要求很高。
（西安西电电力电容器有限责任公司陕西西安 710082）摘要：本文主要介绍了柔性直流输电系统用直流支撑电容器，该电容器属于金属化薄膜介质的自愈式电容器，技术要求很高。
前期，国内柔性直流输电工程中用的电容器主要以进口的国外电容器为主，随着电容器主材制造工艺水平及电容器生产制造装备工艺水平提高，国内直流支撑电容器发展很快，产品性能等各方面与国外产品相当，从而更好满足阀厂家对电容器产品性能、交货期及成本等方面的要求。
关键词：柔性直流输电系统；直流支撑电容器；金属化薄膜介质；生产制造装备工艺水平0 引言目前，国、内外大型柔性直流输电工程【1】中的直流支撑电容器均采用国外进口，周期较长，各种税居高不下，导致产品价位高，进口直流支撑电容器处于垄断地位，随着国内直流支撑电容器产品主材、生产制造装备、工艺水平等不断提高，现技术水平与国外水平相当，这种发展趋势，将打破进口产品的垄断地位，填补我国电力电容器行业在柔性直流输电领域所需高端电容器技术、生产装备制造、工艺等方面的空白，同时为风能、太阳能发电、光伏发电等清洁能源领域提供高端品质的电容器和系统集成服务，以满足蓬勃发展的柔性直流输电工程的需要。
1 柔性直流输电系统简介柔性直流输电（VSC?HVDC）系统【2】主要包括电压源换流器（VSC）、换流变压器、换相电抗器、直流电容器和交流滤波器等。
VSC换流器+1对轻型电缆=柔性直流输电。
柔性直流输电系统不需要大量的交直流滤波电容器，而是需要大量的直流支撑电容器，是采用金属化薄膜介质的自愈式电容器，技术要求很高，目前主要靠进口，国内多家有少量供货。
2 直流支撑电容器直流支撑电容器，又称DC-Link电容器，采用进口薄膜材料低温蒸镀而成，自愈性能优异；由全自动分切卷绕设备制造，采用无感卷绕技术，自愈性能优良，产品空间利用率高，结构更加紧凑，芯子内部采用特殊喷金工艺，等效串联电阻小、耐电压高、耐电流大、低阻抗、低电感、容量损耗小、电容器干式结构、能承载较大纹波电流、漏电流小、使用寿命长、安全及防爆稳定性好、不锈钢外壳，阻燃端子，防火性能达到最佳、过压力检测器保护装置，为后台提供辅助信号，可靠性高，产品结构设计合理，采用模块化设计概念，在绝缘的设计上，充分考虑了设计裕度，干式设计，所有主材均属于环保材料，不会有任何液体泄漏，造成环境污染。
城市轨道交通车辆技术《SZP1列车的辅助逆变器》
SZP1列车的辅助逆变器图2-3是SZP1列车的ACM电路构成示意图，由DC-link 电容器、三相逆变器、过压斩波器、控制计算机(DCU/A)、24V 直流低压电源、电压传感器、电流传感器和温度传感器等，与MCM类似。
1.DC-link电容器〔1〕DC-link电容器ACM 中的DC-link电容器是一个能量缓冲器。
电容滤波器稳定直流侧电压，保证有足够的电流供应逆变器，使直流侧电压波动限制在允许的范围内，从而实现逆变器的精确控制。
DC-link电容器由两片并联的电容器组成，两个电容处于相同的外壳内。
实际上可以把它们看成是一个电容器。
〔2〕放电电阻电路中有两个放电电阻，与DC-link电容器并联。
关闭列车时，如果正常放电出现故障，放电电阻负责将DC-link电容放电，使电容电压在5 分钟内下降至50V。
2.三相逆变器〔1〕IG BT模块图2-4 逆变相在ACM上有三个逆变相，即U、V 和W，如图2-4所示。
每相有两个IGBT模块。
每个IGBT模块包括一个IGBT器件和一个在IGBT的集电极和发射极之间反向关联的反应二极管。
工作时，通过门极驱动单元〔GDU〕向门极终端输入控制电压信号，使IGBT在“开通〞和“关断〞两个状态快速切换。
〔2〕GDUGDU 根据DCU/A命令，驱动IGBT开通和关断。
GDU 还具有检查相位短路故障的功能。
每相有两个GDU，即每个IGBT 模块一个。
逆变相和过压斩波器的GDU硬件相同，但软件不同。
GDU 由+24V低压电源向供电。
GDU 应尽可能与IGBT模块靠近安装，使门极和监控电缆尽量缩短，防止受谐波干扰影响。
DCU/A与GDU之间通过光纤进行信号传输，从而实现控制系统与高压系统的电隔离，并能降低各种干扰的影响。
IGBT模块电缆与GDU 通过连接插销进行连接。
使用环形端子把电缆连接到IGBT模块上。
GDU 上的门极端子用于短路验证。
GDU 配有一个反应电路。
因此，DCU/A 能够对GDU 和IGBT 的状态进行快速响应。
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。
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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。