由于功率半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，今天的逆變器和開(kāi)關(guān)電源電路正在以前所未有的速度提供更高的性能。效率得到提高，待機(jī)功耗很快進(jìn)入綠色能源區(qū)，物理電路尺寸正在縮小。甚至預(yù)期壽命也得到了提升。

這種性能推動(dòng)的背后是不斷變化的應(yīng)用領(lǐng)域。較小的電源和逆變器更適合縮小消費(fèi)和工業(yè)產(chǎn)品。逆變器曾在市場(chǎng)范圍有限，現(xiàn)在是每個(gè)太陽(yáng)能，風(fēng)能和水能系統(tǒng)以及UPS設(shè)備，便攜式電源等的核心。此外，在許多關(guān)鍵應(yīng)用中，產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要。

雖然這些改進(jìn)的大部分歸功于半導(dǎo)體制造商及其應(yīng)用工程師，但電容器技術(shù)也取得了重大進(jìn)展。多年來(lái)，鋁電解電容器一直是電源設(shè)計(jì)的支柱，它們?nèi)匀皇窃S多應(yīng)用的最佳選擇。

雖然我們沒(méi)有看到鋁電解技術(shù)的任何革命性飛躍，多年來(lái)一直有很多技術(shù)發(fā)展。這種蠕變使它們體積更小，更可靠，并且具有更低的ESR和紋波電流額定值。后兩者對(duì)于采用DC鏈路電路的任何電源電路都特別重要。當(dāng)然，這包括開(kāi)關(guān)電源和逆變器。

電源金屬化薄膜電容器的推進(jìn)速度甚至超過(guò)了電解電容器。我們已經(jīng)看到薄膜材料，金屬化和整體器件構(gòu)造的進(jìn)化改進(jìn)。雖然金屬化功率薄膜和電解電容器具有一些應(yīng)用重疊，但每種情況都具有最適合的情況。此外，薄膜電容器可用于更廣泛的形狀因數(shù)和終端。

本文將解決可能影響您在直流鏈路應(yīng)用中對(duì)電容器做出的選擇的實(shí)際問(wèn)題。工程師通常努力選擇符合功能和成本要求的最佳電路元件。在完成基本電氣要求的計(jì)算之后，設(shè)備選擇仍有很多可能的選擇。在這個(gè)范圍內(nèi)，可能沒(méi)有“錯(cuò)誤”的選擇，但肯定有好的，更好的和最好的選擇。最佳選擇將對(duì)成品電路的物理尺寸，成本，功率效率和可靠性產(chǎn)生有意義的影響。由于電容器是可以具有最短預(yù)期壽命的組件，因此該領(lǐng)域的改進(jìn)可以產(chǎn)生更可靠的最終產(chǎn)品。

基礎(chǔ)知識(shí)

DC鏈路（也稱為總線鏈路） ）電路主要用于平衡輸入源和輸出負(fù)載或電源電路之間的瞬時(shí)功率變化（圖1）。在開(kāi)關(guān)電源的示例中，AC電力在不經(jīng)過(guò)變壓器的情況下被轉(zhuǎn)換為DC，并且被饋送到高頻功率振蕩器。整流后，直流母線電容從正極施加到負(fù)極。在功率逆變器中，DC鏈路電容器與輸入并聯(lián)放置，以最小化負(fù)載變化時(shí)電壓變化的影響。直流鏈路電容還為電源開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的紋波電流提供低阻抗路徑。

圖1：在開(kāi)關(guān)電源中，整流后，直流母線電容器放置在正負(fù)導(dǎo)軌上（頂部）。在DC到AC電源逆變器中，它與輸入（底部）并聯(lián)放置。 （圖片由Digi-Key Electronics提供）

由于設(shè)計(jì)人員選擇使用更高頻率的開(kāi)關(guān)電源電路以減小變壓器尺寸，因此功率器件產(chǎn)生的尖峰（接通和斷開(kāi)）需要更有效地去耦。為了最大限度地降低熱量并最好地保護(hù)功率器件，直流鏈路電容需要具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR）和低自感。另一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是紋波電流。

了解規(guī)格

與電容選擇相關(guān)的一些規(guī)范可能會(huì)令人困惑，即使您對(duì)這些術(shù)語(yǔ)的含義有基本的了解。但是，這仍然是一個(gè)很好的起點(diǎn)。我們知道，對(duì)于直流鏈路應(yīng)用，電容應(yīng)具有非常低的ESR，低自感和高紋波電流額定值。讓我們仔細(xì)看看每一個(gè)。

根據(jù)應(yīng)用它的有源電路，電容器還具有電阻器和電感器的特性。 ESR是指定頻率和溫度下電容器的所有內(nèi)部電阻的總和。像電阻一樣，它的測(cè)量單位是歐姆。因此，毫不奇怪，自感以與電感器相同的單位進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下，nano Henries（nH）。

到目前為止，這非常簡(jiǎn)單：ESR等一些參數(shù)應(yīng)該更低，其他參數(shù)如紋波電流容差應(yīng)該更高。紋波電流是電容器在特定條件下可承受的RMS交流和直流電流的總量，不會(huì)導(dǎo)致其失效。

與ESR一樣，必須針對(duì)特定頻率和溫度定義紋波電流范圍。雖然EIA已經(jīng)建立了表達(dá)這些規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，但并非所有電容器制造商都遵循該標(biāo)準(zhǔn)。因此，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己正在考慮兩個(gè)不同制造商的部件，而沒(méi)有直接的方法來(lái)進(jìn)行逐項(xiàng)比較。如果您發(fā)現(xiàn)自己處于這種情況，最簡(jiǎn)單的解決方案是要求“奇怪”制造商為您提供可比較的規(guī)格或轉(zhuǎn)移給其他供應(yīng)商。

鋁電解電容器

通常稱為鋁電解質(zhì)或“溶解”，非常適合許多逆變器應(yīng)用。它們通常具有幾倍于薄膜蓋的功率密度。這使得它們非常適合需要高電容以滿足峰值負(fù)載要求和電壓乘坐的應(yīng)用（當(dāng)電壓水平出現(xiàn)瞬間下降時(shí)）。這些應(yīng)用包括UPS單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 Cornell Dubilier Electronics擁有一系列合適的電解質(zhì)，可在許多直流鏈路應(yīng)用中使用。一個(gè)很好的例子是低ESR AFK系列，最大ESR為100 kHz和20?C，范圍從1.350Ω到0.033Ω（圖2）。它還具有很高的耐寒性，工作溫度范圍-55?C至105?C。 100 kHz和105?C時(shí)的最大紋波電流范圍為90 mA至2.060 A.

圖2：對(duì)于較低電壓，電路板 - CDE AFK系列的最高ESR范圍為1.350Ω至0.033Ω（100 kHz和20?C）。它還具有較高的耐寒性，工作溫度范圍為-55?C至105℃。 （圖片由Cornell Dubilier Electronics提供）

Lytics的成本通常低于薄膜電容器，但不適用于超過(guò)550 VDC的總線電平。因此，有必要將電容器串聯(lián)配置以達(dá)到所需的工作電壓。根據(jù)操作條件，裂解物的壽命通常比膠片帽短得多。這是因?yàn)樵阡X電解質(zhì)中，電容器的陰極是液體電解質(zhì)。陽(yáng)極是鋁箔。隨著時(shí)間的推移，電解質(zhì)逐漸蒸發(fā)，降低了器件的容量。這就是為什么lytics經(jīng)常在電容上過(guò)度指定，有效延長(zhǎng)其壽命。

等式1：計(jì)算鋁電解電容器使用壽命的公式。 （來(lái)源：Illinois電容器）

如上所述，由于液體電解質(zhì)，所有鋁電解電容器會(huì)隨著時(shí)間的推移而變干，從而失去電容并削弱性能規(guī)格。這使得從可靠的來(lái)源（例如授權(quán)分銷商）購(gòu)買電容器尤其重要。當(dāng)您從非特許經(jīng)營(yíng)來(lái)源購(gòu)買時(shí)，您可能會(huì)購(gòu)買接近或超過(guò)其日期代碼的產(chǎn)品。與雜貨產(chǎn)品一樣，“銷售日期”可確保您獲得新鮮產(chǎn)品。這些日期代碼并不總是易于解碼。特許經(jīng)營(yíng)來(lái)源將保證您購(gòu)買的電容器是新鮮的而不是偽造的。

金屬化薄膜電容器

雖然金屬化薄膜電容器比裂解電容器更昂貴，并且沒(méi)有那么高在許多直流鏈路電路應(yīng)用中，它們具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如，它們的ESR較低且自感較低。它們可以在不損壞性能的情況下承受電涌，并具有卓越的自愈性能。與具有實(shí)際鋁箔繞組的鋁電解質(zhì)不同，金屬化薄膜蓋構(gòu)造有超薄金屬層，其已經(jīng)氣相沉積在薄膜基板的表面上。如果薄膜層之間發(fā)生短路，則層間存儲(chǔ)的高能量和金屬化的薄度相結(jié)合，產(chǎn)生校正閃光，使故障在小于10μS內(nèi)蒸發(fā)。這種動(dòng)作如此之快，需要的能量非常小，以至于電容器的性能基本保持不變。

伊利諾伊州電容器的PHC系列是軸向引線薄膜電容器的一個(gè)很好的例子，非常適合直流鏈路應(yīng)用（圖3.）除了低ESR（在100 kHz和25?C下2.4至12.9 mW）和高最大紋波電流（在100 kHz時(shí)高達(dá)14 A），它的軸向引線設(shè)計(jì)在具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電路中也能很好地工作。點(diǎn)布線。

圖3：伊利諾伊電容器的PHC系列具有低ESR，高最大紋波電流和軸向引線設(shè)計(jì)，使其適合點(diǎn)到點(diǎn)布線。 （圖片由Illinois Capacitor提供）

Cornell Dubilier Electronics 947D系列采用了不同的方法（圖4）。它還專為逆變器/直流鏈路電路而設(shè)計(jì)，提供非常堅(jiān)固的封裝設(shè)計(jì)，帶有螺釘端子。 ESR在100 kHz時(shí)低至0.9 mW，紋波電流額定值在62至101 A范圍內(nèi)，100 kHz。

圖4：CDE的947D該系列具有非常高的紋波電流，非常適合風(fēng)力，太陽(yáng)能，燃料電池，UPS系統(tǒng)等的逆變器設(shè)計(jì)。 （圖片由Cornell Dubilier Electronics提供）

薄膜電容器的其他好處包括：

體積小于電解質(zhì)

更寬的溫度范圍

非極化

幾乎無(wú)限的保質(zhì)期和更長(zhǎng)的使用壽命

能夠通過(guò)降容大大提高估計(jì)的使用壽命

雖然電解槽通常采用圓柱形封裝，可選擇引線，卡扣式或螺釘端接，薄膜電容器說(shuō)明器有更多的選擇。這些包括圓形和盒式，端子設(shè)計(jì)用于直接安裝到特定類型的功率半導(dǎo)體器件，而其他端子使用多個(gè)引線以實(shí)現(xiàn)PCB安裝的最高可靠性。潛在的好處包括易于安裝，增加電流容量，提高機(jī)械穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性。

等式2：估算金屬化薄膜電容器壽命的公式，注意到它的壽命比經(jīng)典電解電池長(zhǎng)得多。 7.（來(lái)源：Illinois電容器）

該公司指出，工作條件會(huì)影響薄膜電容器的壽命，其方式與鋁電解電容器非常相似。然而，與鋁電解電容相比，電壓降額對(duì)壽命的影響更大。

結(jié)論

選擇最佳電容用于功率逆變器或其他直流鏈路應(yīng)用通常開(kāi)始比較所需的電容和紋波電流。確保您要比較的規(guī)格參考相同的操作標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)從半導(dǎo)體制造商的應(yīng)用電路開(kāi)始時(shí)，請(qǐng)使用推薦的電介質(zhì)技術(shù)，因?yàn)椴煌碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)可能與不同的電容器技術(shù)不匹配。根據(jù)電壓和電容要求，比較預(yù)期產(chǎn)品壽命所需的最小紋波電流的成本。如果計(jì)劃使用多個(gè)電解電容來(lái)滿足電壓要求或多個(gè)薄膜電容器以滿足電容需求，請(qǐng)考慮所有相關(guān)成本。另請(qǐng)參閱物理包和終止需求的差異。