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電容器經(jīng)過了幾個(gè)歷史階段。在過去多年的發(fā)展、創(chuàng)新中，金屬化膜電容器得到長足的發(fā)展，不但反映在膜本身上，也同時(shí)反映在金屬鍍層以及分割技術(shù)上。

1、薄膜生產(chǎn)商已開發(fā)生產(chǎn)出更薄的膜；

2、金屬鍍層成分配比、均勻程度、防暴技術(shù)等更加能滿足電特性要求；

3、金屬化的分割技術(shù)進(jìn)一步得到改進(jìn)。

聚丙烯薄膜電容能夠比電解電容更加經(jīng)濟(jì)地覆蓋600VDC到8000VDC的電壓范圍。薄膜電容具有的許多優(yōu)勢(shì)，使它替代電解電容成為工業(yè)和電力電子功率變換市場(chǎng)的趨勢(shì)。

一、薄膜電容與電解電容的性能對(duì)比

薄膜電容的優(yōu)點(diǎn)包括了：

1、承受高的有效電流的能力；

2、段時(shí)間能承受兩倍于額定電壓的過壓；

3、能承受反向電壓；

4、承受高峰值電流的能力；

5、相對(duì)較長壽命，可相對(duì)較長時(shí)間存儲(chǔ)；

6、無酸性、無污染、存儲(chǔ)問題相對(duì)較小。

但是，這種替代并非“微法對(duì)微法”的替代，而是功能上的替代。當(dāng)然，盡管膜電容技術(shù)有了長足的進(jìn)展，但不是所有的應(yīng)用領(lǐng)域都能替代電解電容。

電解電容技術(shù)    

典型的電解電容的最大標(biāo)稱電壓為500 到600V。所以在要求更高電壓的情況下，使用者必須將多只電容串聯(lián)使用。同時(shí)，由于各電容的絕緣電阻不同，使用者必須在每個(gè)電容上連接電阻以平衡電壓。

此外，如果超過額定電壓1.5倍的反向電壓被加在電容上時(shí)，會(huì)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(shí)間，電容會(huì)發(fā)生爆炸，或者隨著電容內(nèi)部壓力的釋放電解液會(huì)流出。為了避免這種危險(xiǎn)，使用者必須給每個(gè)電容并聯(lián)一個(gè)二極管。

在特定應(yīng)用中電容的抗浪涌能力也是考察電容的重要指標(biāo)。實(shí)際上，對(duì)電解電容而言，允許承受的最大浪涌電壓是 V_nDC的1.15或1.2倍。這種情況迫使使用者不得不考慮浪涌電壓而非標(biāo)稱電壓。

二、應(yīng)用實(shí)例

1、直流支撐濾波：高電流設(shè)計(jì)和容值設(shè)計(jì)

a)使用電池供電的情況

應(yīng)用為電車或電叉車

在這種情況下，電容被用來退耦。膜電容特別適合這種應(yīng)用。因?yàn)橹绷髦坞娙莸闹饕獦?biāo)準(zhǔn)是有效值電流的承受能力。這意味著直流支撐電容能夠以有效值電流來設(shè)計(jì)。

以電車為例， 要求的數(shù)據(jù)：

工作電壓: 120VDC；

允許的紋波電壓: 4V_RMS；

有效值電流: 80 A_RMS @ 20 kHz；

最小容值為：

在膜電容中，很容易找到接近的容值。

與電解電容比較：

以每μF 20 mA為例，為了承受80A有效值電流，最小容值

    比較可得：用膜電容替代電解電容時(shí)，膜電容容值是電解電容的1/25。

b)電網(wǎng)供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)

直流母線電壓波形：

容值的確定應(yīng)從電網(wǎng)頻率比逆變器頻率低入手。使用下述等式確定容值：    

流過電容的有效值電流為（近似表示式），該電流沒有考慮逆變器側(cè)的電流

通過上述近似式，我們能看出通過電容的有效值電流由負(fù)載功率、Umax 和U ripple決定。

以下用一個(gè)具體的例子作解釋：

直流電壓1000V， 紋波電壓200V

I rms ：(P=1MW) = 2468Arms

        (P=500kW) = 1234Arms

       (P=100kW) = 247Arms

將低頻部分放大：    

為了方便比較，我們選擇電流承受能力為20mA每μF的電解電容做比較。

首先，P=1MW時(shí)：

rms電流是2468A rms, 需要的最小容值為123.40mF。

對(duì)應(yīng)圖中曲線的值，我們可以看到對(duì)頻率低于100Hz的整流器，使用膜電容，該容值同樣是需要的。

因此，對(duì)于三相，六整流管的整流器，頻率為300Hz。我們可以看到對(duì)應(yīng) 1MW的曲線，需要18.5mF的容值。與電解電容相比，如使用膜電容方案，體積幾乎可以縮小4倍，同時(shí)有更高的可靠型。

在更低功率的情況下，同樣能夠給出相同的結(jié)果 , 對(duì)于10kW的功率，雖然容值變得很小，但是膜電容仍然是最好的解決方案。

甚至在100Hz整流器頻率，只需要555μF的電容，供電電壓與紋波電壓仍然與前面相同。    

2、過壓設(shè)計(jì)

現(xiàn)在我們來看輕型牽引的應(yīng)用，如：地鐵，輕軌，電車等。

直流支撐電壓波形：

在接觸斷開時(shí)，能量來自直流支撐電容，結(jié)果電壓降低。因此，只要接觸重新被建立過壓將出現(xiàn)。

其中    

有時(shí)△V =吊線電壓，因?yàn)檫^壓會(huì)達(dá)到額定電壓的幾乎2倍。膜電容可以承受這種過壓。

電解電容可承受最大1.2倍的額定電壓。所以，電解電容可以承受的最低電壓為：2X1000V/1.2=1670V需要四支450V的電解電容串聯(lián)。

考慮部分從網(wǎng)上得到的數(shù)據(jù)，10mF的電解電容，體積為26升，最大有效值電流為20Arms。而相同容值的膜電容，體積為25 升，最大有效值電流可比500Arms還高。

另外，由于過壓的出現(xiàn)，也出現(xiàn)了流過電容的峰值電流。因此我們必須計(jì)算因過壓產(chǎn)生的能量：

I²t=

在幾個(gè)周期后，電流變?yōu)榱?那么：

其中：

這種能量的計(jì)算也被用于端間短路放電的過程。這樣的放電會(huì)產(chǎn)生非常高的峰值電流與振鈴，這是電解電容不能承受的。

3、電壓的額定

對(duì)于要求高額定電壓的場(chǎng)合，膜電容的解決方案無疑很有優(yōu)勢(shì)。

但如果要求高容值的場(chǎng)合，膜電容解決方案的競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)減弱。的確，如果沒有過壓，有效值電流很低，同時(shí)需要大容值的場(chǎng)合，在700V以下的應(yīng)用中，膜電容很難與電解電容競(jìng)爭(zhēng)。

4、壽命計(jì)算：

膜電容允許有很長的壽命期望，其壽命的長短由負(fù)載電壓條件（工作電壓）與熱點(diǎn)溫度決定。對(duì)于直流濾波電容，其壽命符合下面的曲線：

我們可以從這些曲線中看出，在工作電壓為額定電壓并且熱點(diǎn)溫度為70°C的情況下，膜電容的設(shè)計(jì)壽命為100,000小時(shí)。

壽命結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為2％的電容容值的減少。然而，這是壽命結(jié)束的理論值，因?yàn)椋诘竭_(dá)該點(diǎn)以后，電容仍然能夠使用。如果在應(yīng)用中允許5%的容值減少，壽命將得到顯著的增加。    

熱點(diǎn)溫度由下述的表達(dá)式?jīng)Q定：

其中，θmax hot spot ：最大熱點(diǎn)溫度          
                        tgδ0：電介質(zhì)損耗

                     Rth：熱阻

                      Rs：串聯(lián)電阻

三、結(jié)論

以上我們?yōu)楣こ處熯M(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了技術(shù)參考，在實(shí)際應(yīng)用中仍然需要完整的計(jì)算以及實(shí)際測(cè)試。

然而，如果設(shè)計(jì)為低電壓、低有效電流、且無反向電壓，同時(shí)也沒有峰值電流，那膜電容技術(shù)不合適。

但如果設(shè)計(jì)要求為高電壓、高有效電流，有反向電壓和過壓，同時(shí)也有峰值電流，有長壽命要求，那么 聚丙烯金屬化膜電容是最好的選擇。