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

薄膜電容器在新能源汽車上的運(yùn)用

薄膜電容器是一種應(yīng)用于直流濾波場(chǎng)合的電容器。由于它跟傳統(tǒng)電容相比有壽命長(zhǎng)、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)、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(zhǎng)和人民生活水平的提高，能源短缺已成為世界性問(wèn)題，能源安全受到越來(lái)越多國(guó)家的重視。隨著
“汽車社會(huì)”的逐漸形成，汽車保有量在不斷地呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，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(gè)國(guó)家為了將來(lái)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(dòng)力來(lái)源，新能源汽車包括混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽
車、其他新能源（如高效儲(chǔ)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(gè)功能強(qiáng)大的IGBT模塊和一個(gè)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(diǎn)、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(diǎn)
　　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(shí)，產(chǎn)品的耐壓水平還保持在相當(dāng)?shù)乃?，現(xiàn)在越來(lái)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(gè)典型的例子就是豐田公司的PRIUS車型的改進(jìn)；而國(guó)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(jiàn)圖2；從第二代開(kāi)始，便開(kāi)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(diǎn)。
　　a.產(chǎn)品安全性好，耐過(guò)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(jì)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(jiàn)圖4，電容理論上不會(huì)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(kāi)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(shí)際上，對(duì)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(méi)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(shuō)中國(guó)北方)或者高溫地區(qū)(比如說(shuō)沙漠地區(qū))都可以得到正常的使
用，但對(duì)于電解電容器來(lái)說(shuō)，如果在低溫地區(qū)，由于電解液的存在，電解液可能會(huì)凝固，電容的性能在低溫的時(shí)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(kāi)關(guān)頻率在約10KHZ，這就要求產(chǎn)品的高頻性能好，對(duì)于電解電容器和聚酯膜電容器來(lái)說(shuō)，這個(gè)要求是個(gè)難題。
　　隨著頻率的升高，聚酯膜介質(zhì)電容器的所測(cè)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(méi)有極性，能承受反向電壓
　　薄膜電容器的電極是蒸鍍?cè)诒∧ど霞{米級(jí)的金屬，產(chǎn)品是沒(méi)有極性的，故對(duì)使用者來(lái)說(shuō)非常方便，不需要考慮正負(fù)極的問(wèn)題；而對(duì)電
解電容器來(lái)說(shuō)，如果超過(guò)1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時(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(zhǎng)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。
　　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(dòng)力汽車和燃料電池汽車的母線電壓有不斷提高的趨勢(shì)?，F(xiàn)在市場(chǎng)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(huì)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(shí)，系統(tǒng)只能通過(guò)串聯(lián)電解電容器來(lái)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(guò)耐紋波電流能力強(qiáng)
　　薄膜電容器大于200mA/μF，電解電容通過(guò)紋波電流能力為20mA/μF，這個(gè)特點(diǎn)能大大減小系統(tǒng)中所需要的電容器的容量。國(guó)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(jì)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(guò)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(kāi)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(zhǎng)
　　薄膜不易老化的特性決定了薄膜電容器優(yōu)很長(zhǎng)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(shí)；如果按平均30Km/H，
則在壽命期可以有450000Km，電容的壽命對(duì)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(jiàn)公式一)，電壓提高后，可以降低通過(guò)回路的電流，由于電流
可以比較低，線損就會(huì)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(dòng)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(duì)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(shí)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(dòng)范圍、開(kāi)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(shí)候，電路兩端負(fù)載發(fā)生變化，母線上會(huì)產(chǎn)生紋波電流。如果沒(méi)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(dòng)
(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(guò)計(jì)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(jì)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(guò)下面的公式計(jì)算：
　　(2)
　　由于系統(tǒng)中的濾波電流相對(duì)較大，而電解電容又有0.02A/μF的濾波電流限制，所以在開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)是30KW的純電動(dòng)車型舉例說(shuō)明，驅(qū)動(dòng)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(gè)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(kāi)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(gè)方面它通過(guò)將電容器芯子和母排整合的方式來(lái)滿足客戶靈活的尺寸要求，不僅使得整個(gè)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(dòng)汽車中使用的電路設(shè)計(jì)有高電壓、高有效值電流、有過(guò)壓、有反向電壓、有高峰值電流、同時(shí)還
有長(zhǎng)壽命的要求，薄膜電容無(wú)疑是電動(dòng)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(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)，習(xí)慣上也包括
聚對(duì)苯二甲酸丁二酯 (PBT)和聚芳酯等線型熱塑性樹(shù)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(shù)脂和聚酯彈性體。

　　電容量：40p--4u。

　　額定電壓：63--630V。

　　主要特點(diǎn)：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(duì)穩(wěn)定性和損耗要求不高的低頻電路。
常見(jiàn)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(jiàn)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(guò)整個(gè)性能不如CL11。所以采購(gòu)時(shí)
一定要向廠家注釋要的是哪一種型號(hào)。

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(jí)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(diǎn)。應(yīng)用于各類精密測(cè)量?jī)x表；汽車收音
機(jī)；工業(yè)用接近開(kāi)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(wú)
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(lái)制作各種需要承受開(kāi)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(diǎn)：穩(wěn)定，低損耗，體積較大。

　　應(yīng)用：對(duì)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(dú)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(guò)濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性?？捎糜诳諝?、液體過(guò)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(diǎn)：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(dòng)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(diǎn)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(chǎng)合，如噴氣發(fā)動(dòng)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(dòng)電路。
聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene，簡(jiǎn)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(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑。同時(shí)，聚四氟乙烯具有耐高溫
的特點(diǎn)，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤(rùn)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(jì)所選用了。

(5)漆膜電容
漆膜電容器最突出的特點(diǎn)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(diǎn)是工作電壓不容易做的太高，一般工作電壓為直流40V。國(guó)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(shí)，確實(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生噪音，噪音到底是怎么產(chǎn)生的？
會(huì)不會(huì)影響薄膜電容的正常使用呢？本文就來(lái)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(shuō)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(tīng)不到，但當(dāng)電容器施加高頻電壓時(shí)，由于
二電極間電荷力的作用，使薄膜發(fā)生機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的聲音，一般對(duì)電性能是沒(méi)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(huì)很短。

劣質(zhì)薄膜電容的噪音會(huì)更大一些

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

使用劣質(zhì)薄膜會(huì)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(lái)的薄膜電容噪音相對(duì)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(jià)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(lái)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(méi)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(méi)有徹底排出，造
成薄膜電容使用時(shí)噪音變大。高品質(zhì)的薄膜電容，會(huì)通過(guò)真空熱壓的方式，將芯子內(nèi)部的空氣
徹底抽光，再配合無(wú)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(huì)明顯更低更小。