B32654A0334J000新能源汽車薄膜電容,TDK車規(guī)級薄膜電容器

加工定制	否	外形	方塊狀
容值	0.33uF	壽命	200000Hour
封裝	Bulk	工作溫度	- 55 C~+ 125 C
應(yīng)用范圍	濾波	引線類型	Straight
電介質(zhì)	PET	認(rèn)證	CCC

B32654A0334J000新能源汽車薄膜電容,TDK車規(guī)級薄膜電容器

薄膜電容器在新能源汽車上的運用

薄膜電容器是一種應(yīng)用于直流濾波場合的電容器。由于它跟傳統(tǒng)電容相比有壽命長、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，更適用于新能源汽車中的
逆變器直流濾波。本文主要介紹薄膜電容器優(yōu)點、采用的先進(jìn)技術(shù)、相關(guān)的選型標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用分析。

　　【關(guān)鍵詞】能源；薄膜電容器；電解電容器；逆變器；新能源汽車
　
　　1.隨著工業(yè)的迅速發(fā)展、人口的增長和人民生活水平的提高，能源短缺已成為世界性問題，能源安全受到越來越多國家的重視。隨著
“汽車社會”的逐漸形成，汽車保有量在不斷地呈現(xiàn)上升趨勢，全球汽車行業(yè)的發(fā)展面臨著能源和環(huán)保的雙重壓力，各個國家為了將來在
世界汽車業(yè)中占得一席之地，紛紛推出了各自的的新能源汽車的規(guī)劃藍(lán)圖，并大力發(fā)展新能源汽車。
　　新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源，新能源汽車包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機(jī)汽
車、其他新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產(chǎn)品[1]。
　　電機(jī)，電池和電機(jī)控制技術(shù)是新能源汽車的三大核心。電機(jī)控制技術(shù)的核心就是需要高效電機(jī)控制的逆變器技術(shù)，高效電機(jī)控制的逆
變器技術(shù)則需要一個功能強(qiáng)大的IGBT模塊和一個與之匹配的直流支撐電容器。
　　本文主要介紹薄膜電容的優(yōu)點、采用的先進(jìn)技術(shù)、相關(guān)的選型標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用分析。
　　2.薄膜電容的技術(shù)優(yōu)點
　　早期直流支撐薄膜電容都是采用電解電容，隨著薄膜電容技術(shù)的發(fā)展，特別是基膜本身技術(shù)的發(fā)發(fā)展和金屬化采用分割的技術(shù)出現(xiàn)，
不僅使得薄膜電容的體積在越做越小的同時，產(chǎn)品的耐壓水平還保持在相當(dāng)?shù)乃?，現(xiàn)在越來越多的公司采用高溫聚丙烯薄膜電容器的作
為直流支撐電容，一個典型的例子就是豐田公司的PRIUS車型的改進(jìn)；而國內(nèi)車企典型代表是比亞迪F3DM和E6，都使用薄膜電容器作為
直流支撐電容。第一代豐田Prius使用的濾波電容器是電解電容器，見圖2；從第二代開始，便開始使用薄膜濾波電容器組。
　　目前用于直流支撐的薄膜電容器，大部分是使用高溫聚丙烯膜作為介質(zhì)，聚丙烯薄膜電容器有如下的優(yōu)點。
　　a.產(chǎn)品安全性好，耐過壓能力強(qiáng)
　　由于薄膜電容器具有自愈額現(xiàn)象，而且薄膜電容的設(shè)計是按照IEC61071的標(biāo)準(zhǔn)，電容抗浪涌電壓能力大于1.5的額定電壓，加上電容
采用分割膜技術(shù)，見圖4，電容理論上不會產(chǎn)生短路擊穿的現(xiàn)象，這大大提高了這類電容的安全性，典型的失效模式是開路。在特定應(yīng)用
中電容的抗峰值電壓能力也是考察電容的重要指標(biāo)。實際上，對電解電容而言，允許承受的最大浪涌電壓是1.2倍，這種情況迫使使用者
不得不考慮峰值電壓而非標(biāo)稱電壓。
　　b.良好的溫度特性，產(chǎn)品溫度使用范圍廣，可以從-40℃-105℃
　　直流支撐薄膜電容器采用的高溫聚丙烯薄膜，具有聚酯薄膜和電解電容沒有的溫度穩(wěn)定性，具體如下
　　隨著溫度的升高，聚丙烯膜電容器容量總體是下降的，但下降的比例是很小的，大概是300PPM/℃；而聚酯膜不管是在高溫階段還
是在低溫階段，容量隨溫度變化則大了很多，為+200～+600PPM/℃。
　　聚丙烯膜介質(zhì)電容器的損耗隨溫度變化基本不變的，但聚酯膜介質(zhì)電容器在低溫和高溫顯示變化規(guī)律是不一樣的。
　　由于聚丙烯膜介質(zhì)電容器具有良好的溫度特性，不管是在低溫(比如說中國北方)或者高溫地區(qū)(比如說沙漠地區(qū))都可以得到正常的使
用，但對于電解電容器來說，如果在低溫地區(qū)，由于電解液的存在，電解液可能會凝固，電容的性能在低溫的時候，性能發(fā)生較大的變化，
可能導(dǎo)致電機(jī)控制器不能正常使用。
　　c.頻率特性穩(wěn)定，產(chǎn)品高頻特性好
　　目前大部分的控制器開關(guān)頻率在約10KHZ，這就要求產(chǎn)品的高頻性能好，對于電解電容器和聚酯膜電容器來說，這個要求是個難題。
　　隨著頻率的升高，聚酯膜介質(zhì)電容器的所測容量是隨著頻率的上升是逐步減少的，但聚丙烯膜介質(zhì)電容器則基本不變。
　　隨著頻率的上升，聚酯薄膜介質(zhì)電容器的損耗急劇加大，但聚丙烯介質(zhì)電容器基本不變。
　　d.沒有極性，能承受反向電壓
　　薄膜電容器的電極是蒸鍍在薄膜上納米級的金屬，產(chǎn)品是沒有極性的，故對使用者來說非常方便，不需要考慮正負(fù)極的問題；而對電
解電容器來說，如果超過1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時，會引起電容內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。如果這種電壓持續(xù)足夠長的時間，
電容會發(fā)生爆炸，或者隨著電容內(nèi)部壓力的釋放電解液會流出。
　　e.額定電壓高，不需要串聯(lián)和平衡電阻
　　為了提高輸出功率，混合動力汽車和燃料電池汽車的母線電壓有不斷提高的趨勢?，F(xiàn)在市場上給電機(jī)提供的電池電壓典型值有280V，
330V及480V，與之匹配的電容不同廠家不太一樣，但大體是會選擇比如450V，600V，800V，容量從0.32mF到2mF，而電解電容器的額
定電壓不高于500V，所以當(dāng)母線電壓高于500V時，系統(tǒng)只能通過串聯(lián)電解電容器來提高電容器組的耐壓水平。這樣，不僅增加了電容器組
的體積、成本，也增加了電路中的電感和ESR。
　　f.低ESR，通過耐紋波電流能力強(qiáng)
　　薄膜電容器大于200mA/μF，電解電容通過紋波電流能力為20mA/μF，這個特點能大大減小系統(tǒng)中所需要的電容器的容量。國內(nèi)廠家
比如廈門法拉主推的產(chǎn)品目前0.4-0.5mΩ，最大紋波電流值從幾十安培到幾百安培不等。
　　g.低ESL
　　逆變器的低電感設(shè)計要求其主要元件DC-Link電容器要有極其低的電感。高性能DC-Link直流濾波薄膜電容器通過把母線整合到電容器
模塊里，使它的自感降到最低(<30nH)，大大減小了在必要開關(guān)頻率下的震蕩效應(yīng)。因此，并聯(lián)在DC-Link電容器上的吸收電容經(jīng)常被省略
掉，電容器電極直接接到IGBT上。
　　h.抗浪涌電流能力強(qiáng)
　　能夠承受瞬間的大電流，采用波浪分切的技術(shù)和電容鍍膜加厚邊技術(shù)，可以提高產(chǎn)品浪涌電流溫度和機(jī)械沖擊的能力。 　　i.使用壽命長
　　薄膜不易老化的特性決定了薄膜電容器優(yōu)很長的壽命，特別在額定電壓和額定使用溫度下，使用壽命大于15000小時；如果按平均30Km/H，
則在壽命期可以有450000Km，電容的壽命對于汽車的行駛里程是足夠的。
　　3.薄膜電容的選擇
　　為了達(dá)到節(jié)能的目的，提高電機(jī)的效率，減少線損，就必須把系統(tǒng)電壓提高(見公式一)，電壓提高后，可以降低通過回路的電流，由于電流
可以比較低，線損就會比較低。
　　P線損=I2R　　　 　 (1)
　　目前系統(tǒng)電壓范圍從100多伏到300多伏，有些公司用于大功率驅(qū)動的達(dá)到400多伏，由于控制電路自感及其在汽車在不同工況下使用的緣
故，大多公司選用是額定電壓450V以上的電容。
　　根據(jù)電機(jī)功率的不同，目前有不同的IGBT模塊可以使用，同樣，對于直流支撐電容器，不同的廠家也推出了不同的產(chǎn)品，主流薄膜電容器
廠商比如廈門法拉和EP公司都推出了不容容量和結(jié)構(gòu)的電容可供選擇。選擇時主要考慮額定容量、允許容量的偏差、額定電壓、最大電壓、電
池電壓的波動范圍、開關(guān)頻率、紋波電流有效值、最大峰值電流、相間續(xù)流電流大小、電機(jī)額定功率、峰值功率、環(huán)境溫度、最高工作溫度、最
高工作海拔、散熱方式和壽命要求等指標(biāo)。
　　4.應(yīng)用分析
　　4.1 紋波電壓產(chǎn)生的原因
　　IGBT工作的時候，電路兩端負(fù)載發(fā)生變化，母線上會產(chǎn)生紋波電流。如果沒有C3電容器，那么電流將全部流經(jīng)電池組，導(dǎo)致Ur產(chǎn)生波動
(Ur=Iripple×r)，U=U1+Ur，所以U兩端將產(chǎn)生較大的紋波電壓，影響IGBT的正常工作。
　　4.2 電容器組的作用
　　如果在母線兩端并上電容器組，當(dāng)ESR+1/ωC<　　4.3 電容器的選擇
　　要使ESR+1/ωC<　　工程應(yīng)用上，可以通過計算機(jī)模擬得到系統(tǒng)需要的最小電容器容值。當(dāng)然，如果設(shè)計前已知了電路中的最大允許紋波
電壓和紋波電流的有效值。那么，系統(tǒng)中需要的最小容值可以通過下面的公式計算：
　　(2)
　　由于系統(tǒng)中的濾波電流相對較大，而電解電容又有0.02A/μF的濾波電流限制，所以在開關(guān)頻率較高的逆變器中一般不按最小容值選擇電解
電容器，而是按下面公式選擇電解電容器的容值：
　　(3)
　　下面以某電機(jī)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是30KW的純電動車型舉例說明，驅(qū)動器上的參數(shù)為：Vw=336V；　Uripple=4V；Irms=100A @10KHz。需
要的最小容值為：
　　(4)
　　這個容量的薄膜電容器很容易找到。如果選用電解電容器，則需要的容量是：
　　(5)
　　由此可以得出，開關(guān)頻率較高的逆變器中使用薄膜電容器可以大大減小應(yīng)用中所需要的容值。
　　5.總結(jié)
　　高性能DC-LINK薄膜電容器是一種采用新的制作工藝和金屬化薄膜技術(shù)的電容器，它增加了傳統(tǒng)薄膜電容器的能量密度，即電容的體積也隨
之縮小。另一個方面它通過將電容器芯子和母排整合的方式來滿足客戶靈活的尺寸要求，不僅使得整個逆變器模塊更加緊湊，也大大降低應(yīng)用電
路中的雜散電感，使電路的性能更加優(yōu)越。電動汽車中使用的電路設(shè)計有高電壓、高有效值電流、有過壓、有反向電壓、有高峰值電流、同時還
有長壽命的要求，薄膜電容無疑是電動汽車作為直流支撐電容的最佳選擇

幾種薄膜電容的詳細(xì)介紹
1） 聚酯（滌綸）電容（CL）。

聚酯電容是用兩片金屬箔做電極，夾在極薄絕緣介質(zhì)中，卷成圓柱形或者扁柱形芯子，介質(zhì)是滌綸。
聚酯薄膜電容的介電常數(shù)較高，體積小，容量大，穩(wěn)定性較好，適宜做旁路電容。

聚酯，由多元醇和多元酸縮聚而得的聚合物總稱。主要指聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，習(xí)慣上也包括
聚對苯二甲酸丁二酯 (PBT)和聚芳酯等線型熱塑性樹脂。是一類性能優(yōu)異、用途廣泛的工程塑料。也
可制成聚酯纖維和聚酯薄膜。聚酯包括聚酯樹脂和聚酯彈性體。

　　電容量：40p--4u。

　　額定電壓：63--630V。

　　主要特點：精度、損耗角、絕緣電阻、溫度特性、可靠性及適應(yīng)環(huán)境等指標(biāo)都優(yōu)于電解電容，
瓷片電容兩種電容。小體積，大容量，耐熱耐濕，穩(wěn)定性差。

　　應(yīng)用：對穩(wěn)定性和損耗要求不高的低頻電路。
常見類別：和許多電容相似，滌綸電容還有許多微小的分類，例如常見的 CL23B，CL20;差別在于
CL20電容內(nèi)部選取金屬化的技術(shù)，體形比較CL23B小許多，不過整個性能不如CL11。所以采購時
一定要向廠家注釋要的是哪一種型號。

2）聚苯乙烯電容（CB）
聚苯乙烯電容(polystyrene-film-capacitors type:PSR、PSA)是選用電子級聚苯乙烯膜作介質(zhì)、高
導(dǎo)電率鋁箔作電極卷繞而成圓柱狀,并采成熱縮密封工藝制作而成。容量范圍（100pF~0.01uF)，具
有負(fù)溫度系數(shù)、絕緣電阻高達(dá)100GΩ、極低泄漏電流等特點。應(yīng)用于各類精密測量儀表；汽車收音
機(jī)；工業(yè)用接近開關(guān)、高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。

聚苯乙烯（Polystyrene，縮寫PS）是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應(yīng)合成的聚合物。它是一種無
色透明的熱塑性塑料，具有高于100℃的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此經(jīng)常被用來制作各種需要承受開水的溫
度的一次性容器，以及一次性泡沫飯盒等。

　　電容量：10p--1u。

　　額定電壓：100V--30KV。

　　主要特點：穩(wěn)定，低損耗，體積較大。

　　應(yīng)用：對穩(wěn)定性和損耗要求較高的電路。

3）聚丙烯電容（CBB）
CBB電容也稱聚丙烯電容。電容量10p--10μ，額定電壓：63--2000V。能代替大部分聚苯或云母電容，
用于要求較高的電路。性能與聚苯相似但體積小，穩(wěn)定性略差。

聚丙烯是丙烯加聚反應(yīng)而成的聚合物。系白色蠟狀材料，外觀透明而輕。

熔噴布是口罩最核心的材料，熔噴布主要以聚丙烯為主要原料，纖維直徑可以達(dá)到1～5微米?？障抖唷?br /> 結(jié)構(gòu)蓬松、抗褶皺能力好，具有獨特的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維增加單位面積纖維的數(shù)量和表面積，從而
使熔噴布具有很好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性?？捎糜诳諝狻⒁后w過濾材料、隔離材料、吸
納材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料及擦拭布等領(lǐng)域。

電容量：1000p--10u。

　　額定電壓：63--2000V。

　　主要特點：性能與聚苯相似但體積小，穩(wěn)定性略差。

　　應(yīng)用：代替大部分聚苯或云母電容，用于要求較高的電路。
CBB電容用途：在各種直流或中低頻脈動電路中使用。適宜作為旁路電容使用。容值范圍：470pF~4.7μF。
額定電壓范圍：63-630V。損耗角正切：0.3-0.7。工作溫度：— 55℃到125℃。溫度系數(shù)：+200 +600ppm。

（4）聚四氟乙烯（CBF）

聚四氟乙烯電容器屬有機(jī)薄膜電容器類，它是以金屬箔為電極，以聚四氟乙烯薄膜為介質(zhì)，卷繞成形后裝
入外殼中密封而成的。

聚四氟乙烯電容器的最大特點是能在高溫下工作，一般工作瘟度的范圍為-55℃+200℃。因此它適用于特
殊要求的場合，如噴氣發(fā)動機(jī)、雷達(dá)發(fā)射機(jī)等電子設(shè)備的交、直流電路及脈動電路。
聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene，簡寫為PTFE），一般稱作“不粘涂層”或“易清潔物料”。
這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯具有耐高溫
的特點，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤滑作用之余，亦成為了易清潔水管內(nèi)層的理想涂料；有毒，人體
致癌物質(zhì)。聚四氟乙烯電容已經(jīng)很少被常規(guī)電路設(shè)計所選用了。

(5)漆膜電容
漆膜電容器最突出的特點就是體積小，容量大。溫度特性和容量穩(wěn)定性都優(yōu)于滌綸電容器，它在線路中可
取代部分電解電容器。

其缺點是工作電壓不容易做的太高，一般工作電壓為直流40V。國內(nèi)生產(chǎn)的品種有CQ系列。

金屬化薄膜電容器產(chǎn)生噪音的原因剖析

一般金屬化薄膜電容器在交流電路中使用時，確實有可能會產(chǎn)生噪音，噪音到底是怎么產(chǎn)生的？
會不會影響薄膜電容的正常使用呢？本文就來給大家分析一下金屬化薄膜電容器產(chǎn)生噪音的根本
原因

薄膜電容的噪音是怎么產(chǎn)生的？

由于在電容器介質(zhì)薄膜層間存在間隙，薄膜在電磁力的作用下發(fā)生周期性形變，導(dǎo)致薄膜共振，
從而引起了交流聲，這也就是我們所說的薄膜電容出現(xiàn)的噪音。

一般情況下，薄膜電容的噪音是極小的，甚至根本聽不到，但當(dāng)電容器施加高頻電壓時，由于
二電極間電荷力的作用，使薄膜發(fā)生機(jī)械振動而產(chǎn)生的聲音，一般對電性能是沒有影響的。但
如果噪音很明顯，那就是你買到了劣質(zhì)薄膜電容，壽命會很短。

劣質(zhì)薄膜電容的噪音會更大一些

雖然理論上來講，輕微的噪音屬于正?，F(xiàn)象，如果噪音相對明顯，可能就代表著這個薄膜電容
的質(zhì)量很差。

使用劣質(zhì)薄膜會導(dǎo)致電容噪音變大：正常的高品質(zhì)金屬化薄膜，它們的薄膜厚度很均勻，表面
很光滑，這樣生產(chǎn)出來的薄膜電容噪音相對很小。而劣質(zhì)薄膜電容為了降低生產(chǎn)成本，只能使
用低價劣質(zhì)的薄膜原料，這種薄膜厚度非常不均勻，表面高低不平非常粗糙，甚至有很多毛刺，
使用這種垃圾薄膜生產(chǎn)出來的電容，噪音肯定更大一些。

電容芯子內(nèi)的氣泡是產(chǎn)生噪音的根本原因：理想的電容器芯子內(nèi)部是完全沒有空氣的，但一些
劣質(zhì)薄膜電容為了節(jié)省成本，不使用真空熱壓，薄膜電容芯子內(nèi)的潮濕空氣沒有徹底排出，造
成薄膜電容使用時噪音變大。高品質(zhì)的薄膜電容，會通過真空熱壓的方式，將芯子內(nèi)部的空氣
徹底抽光，再配合無塵、恒溫、恒濕生產(chǎn)車間，就能保證電容芯子內(nèi)部的潮濕空氣極少，薄膜
電容的噪音就會明顯更低更小。