盧明書(shū)，牛 犇，尚 鋒，趙東槐

（山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 萊蕪 271100）

隨著全球環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的不斷凸顯，世界各國(guó)都在積極采取措施以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的良性發(fā)展。汽車(chē)作為石油消耗和二氧化碳排放的大戶，需要進(jìn)行革命性的變革，因此發(fā)展新能源電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為世界各國(guó)的共識(shí)，隨著國(guó)家政策的大力扶持，各城市在持續(xù)推進(jìn)新能源電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

傳統(tǒng)空調(diào)由于啟動(dòng)電流大和輸入電壓低等缺點(diǎn)不能適用于電動(dòng)汽車(chē)，因此必須配置電動(dòng)變頻空調(diào)來(lái)滿足新能源汽車(chē)的電池供電要求。DC－Link電容器作為新能源電動(dòng)空調(diào)中的關(guān)鍵器件，一般要求大容量、承受大紋波電流以及高電壓等特性，傳統(tǒng)的電解電容已經(jīng)不適合高電壓、大紋波電流的應(yīng)用。隨著金屬化蒸鍍技術(shù)以及薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)薄膜電容器的相關(guān)運(yùn)用分析，在額定工作電壓高、承受高紋波電流、有過(guò)電壓要求、有電壓反向應(yīng)用、有高沖擊電流 （di／dt）以及長(zhǎng)壽命要求的電路設(shè)計(jì)中，選擇薄膜電容器是設(shè)計(jì)者的首選方案，如何進(jìn)行薄膜電容器的選型及應(yīng)用成為更多工程師的關(guān)注點(diǎn)。

1 薄膜電容器替代電解電容器分析

在新能源電動(dòng)變頻空調(diào)系統(tǒng)中，直流電直接向變頻器供電，直流電源和變頻器之間需要DC－Link電容器做支撐，變頻器既從DC－Link獲得峰值較高的脈沖電流又在DC－Link上產(chǎn)生較高的脈沖電壓，必須選擇合適的DC－Link電容器來(lái)吸收脈沖電壓，使直流母線上的電壓波動(dòng)保持在允許范圍，也防止變頻器受到輸入電壓過(guò)沖和瞬時(shí)過(guò)電壓的影響。

DC－Link電容器在新能源電動(dòng)空調(diào)中的應(yīng)用如圖1所示。圖1中額定輸入電壓為DC600V，電壓波動(dòng)范圍DC400～800V，如采用額定電壓DC400V的電解電容，需要3只串聯(lián)使用，由于每個(gè)電解電容器的絕緣電阻存在一定的差異，因此電解電容器串聯(lián)需要可靠的電壓均衡技術(shù)，否則所串聯(lián)的電容器的單體電壓就會(huì)不平衡，甚至損壞電容器。另外電解電容器作為有極性的電氣部件，當(dāng)施加反向電壓超過(guò)1．5倍額定電壓且施加時(shí)間超過(guò)電容器的耐受時(shí)間，則電解電容器會(huì)損壞或發(fā)生爆炸。電解電容器的電容量隨溫度變化而變化，隨著使用溫度的升高，內(nèi)部的電解液會(huì)蒸發(fā)或產(chǎn)生化學(xué)變化，導(dǎo)致靜電容量減少或等效串聯(lián)電阻增大，可能會(huì)出現(xiàn)擊穿或電參數(shù)惡化等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)電解電容器的壽命也就終止了［1］。電解電容器使用在環(huán)境溫度0℃至高溫限值時(shí)，其電容量增加一般不超過(guò)10%，當(dāng)使用環(huán)境溫度在0℃以下時(shí)，由于電解液的原因，導(dǎo)致電容量顯著減小，對(duì)于最低溫度－40℃，有的電解電容器的電容量甚至下降到40%。并且電解電容長(zhǎng)期不使用后，電解液易蒸發(fā)易泄漏，也會(huì)導(dǎo)致容量的縮小。

圖1 DC-Link電容器應(yīng)用

圖1 中不需要整流電路，該位置電容器的平滑作用不再具有意義，主要用作直流母線電壓的支撐、吸收直流母線的交流電流分量，因此不再需要極大的電容量，而是需要適當(dāng)?shù)碾娙萘亢蛢?yōu)異的性能吸收高頻紋波電流，抑制高頻紋波電流對(duì)直流母線的影響，薄膜電容器是最理想的選擇，選用薄膜電容器的電容量?jī)H是電解電容的1／3甚至更低。而且薄膜電容器的電容量隨溫度變化不大，其電容量主要由介質(zhì)膜的溫度特性決定，例如聚丙烯膜作為介質(zhì)膜，其介電系數(shù)隨溫度變化范圍 （－40～+85℃）的變化量接近4%，制成薄膜電容器的電容量精度可達(dá)到5%。

相比電解電容器，薄膜電容器具有很長(zhǎng)的壽命期望，其壽命的長(zhǎng)短主要由工作電壓與電容器內(nèi)部的熱點(diǎn)溫度決定。在工作電壓為額定電壓、熱點(diǎn)溫度為70℃的情況下，壽命結(jié)束以電容值減小15%為標(biāo)準(zhǔn)，薄膜電容器設(shè)計(jì)壽命可長(zhǎng)達(dá)100 kh。如果在實(shí)際應(yīng)用中允許電容量減小20%，則薄膜電容器的壽命將得到顯著增加［1］。相比電解電容器，薄膜電容器具有更強(qiáng)的短時(shí)過(guò)電壓能力，承受1．5倍額定電壓，可持續(xù)時(shí)間一般為10 s～2 min，且薄膜電容器具有“自愈”的特性可延長(zhǎng)使用壽命。

通過(guò)以上分析，在直流高電壓條件下，薄膜電容器是比電解電容器更理想的選擇，薄膜電容器以金屬箔片 （或者是在塑料上進(jìn)行金屬化處理而得的箔片）作為電極板，以塑料作為電介質(zhì)，通過(guò)繞卷或?qū)盈B工藝而得，同體積的薄膜電容器比電解電容器可承受更高的工作電壓。當(dāng)選取小容量的電容器時(shí)，在相同體積的前提下，電解電容器的容量遠(yuǎn)大于薄膜電容器的容量。

2 設(shè)計(jì)選型

根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，薄膜電容器的選型主要考慮額定電壓、電容量、紋波電流等參數(shù)。

2.1 額定電壓選擇

薄膜電容器通常有一個(gè)瞬時(shí)過(guò)電壓能力，一般為其額定電壓的1．2～1．5倍，持續(xù)時(shí)間為10 s～2 min，持續(xù)的過(guò)電壓時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明該薄膜電容的過(guò)電壓能力越強(qiáng)。

當(dāng)變頻空調(diào)正常工作時(shí)，由于DC600V存在過(guò)電壓的情況，為提高薄膜電容器的使用壽命，一般選取1．2倍的最高電壓作為薄膜電容器額定電壓的選型依據(jù)。

2.2 電容量計(jì)算

分析DC－Link電容器的工作過(guò)程，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，由輸入直流電源和DC－Link電容器同時(shí)為變頻器提供能量；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入直流電源便向DCLink電容充電，一個(gè)工作周期結(jié)束。

設(shè)輸入直流電源輸出的最大功率為P0，DC－Link電容假設(shè)為理想電容，則在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入直流電源提供的能量為：

式中：η——變頻器的效率；fs——載波頻率。

根據(jù)電容器兩端的紋波電壓，計(jì)算出一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容器所釋放的能量：

式中：U——直流母線電壓，計(jì)算時(shí)采用直流母線電壓最小值；Δu——母線紋波電壓。

2.3 紋波電流計(jì)算

紋波電流是指流經(jīng)DC－Link電容器的交流電流，主要是變頻器三相輸出頻率下的紋波電流和開(kāi)關(guān)頻率下的紋波電流疊加而成的，其中流過(guò)DC－Link電容器的紋波電流有效值可用公式 （4）計(jì)算。

式中：Iacrms——流過(guò)DC－Link電容器的紋波電流有效值；Iorms——變頻器輸出側(cè)總電流有效值；m——調(diào)制比；φ——相位角。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 輸入條件

輸入額定電壓DC600V，電壓波動(dòng)范圍DC400V～DC800V；輸入功率15 kW；效率90%；開(kāi)關(guān)頻率5 kHz；紋波系數(shù)5%；變頻器輸出側(cè)總電流30 A。

3.2 計(jì)算過(guò)程

1）額定電壓

需要選擇額定電壓大于DC960V的薄膜電容器，根據(jù)車(chē)輛供電實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文選取額定電壓DC1200V的薄膜電容器。

如果采用電解電容器，則需要采用3只耐壓DC400V或DC450V的電解電容器串聯(lián)。

2）電容量

根據(jù)公式 （3）得出：

本文選取電容量為70 μF的薄膜電容器。

3）紋波電流

設(shè)cosφ=0．85，m=0．65，根據(jù)公式 （4） 得出：

根據(jù)薄膜電容器的規(guī)格書(shū)，70 μF的薄膜電容器工作在1 200 V下可承受60 A的紋波電流，滿足設(shè)計(jì)要求。

如果采用電解電容器，則需要電容量為C=18 A／0．02 μF=900 μF （按照20 mA／μF計(jì)算），考慮到電解電容的額定電壓，則需要9只1 000 μF電解電容器 （每組電容器有3個(gè)電解電容器串聯(lián)，需3組電解電容器并聯(lián)）。

4）實(shí)際選型

考慮到薄膜電容器放置在密閉的電控箱內(nèi)，空調(diào)正常工作時(shí)電控箱內(nèi)的溫度達(dá)到50℃，為提高電容的使用壽命，將薄膜電容器額定電流提高到紋波電流有效值的2倍，選取1只電容量為70 μF、額定電流為60 A的薄膜電容使用，電壓電容量紋波電流滿足計(jì)算要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 紋波電壓測(cè)試

如圖2所示，紋波電壓測(cè)試峰峰值為36 V，則紋波系數(shù)測(cè)試值如下：

實(shí)際測(cè)試結(jié)果滿足紋波系數(shù)5%的要求。

圖2 紋波電壓測(cè)試

4.2 紋波電流測(cè)試

圖3 為未增加DC-Link電容器前測(cè)試直流母線紋波電流，有效值為21.6 A，電流峰峰值為71.5 A；圖4為增加DC-Link電容后測(cè)試直流母線紋波電流，有效值為22.5 A，電流峰峰值為14.2 A，說(shuō)明絕大部分紋波電流流經(jīng)薄膜電容器，減小了線纜發(fā)熱量，同時(shí)提高變頻器運(yùn)行的可靠性。

圖3 紋波電流測(cè)試 （無(wú)DC-Link電容器）

圖4 紋波電流測(cè)試 （有DC-Link電容器）

4.3 溫升測(cè)試對(duì)比

1）薄膜電容器 環(huán)境溫度45℃，空調(diào)機(jī)組4 h運(yùn)行，薄膜電容器表面為60℃，溫升僅15 K。

2）電解電容器 環(huán)境溫度45℃，空調(diào)機(jī)組4 h運(yùn)行，電解電容器表面溫度為80℃，溫升35 K。

因此，薄膜電容器相比電解電容器表面溫升更小，壽命更長(zhǎng)。

5 行業(yè)應(yīng)用前景

作為直流支撐濾波電容，由于電解電容器受到額定電壓、紋波電流承受能力、電容量等因素的影響，需要用多個(gè)電解電容器進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計(jì)才能滿足高電壓和大容量使用場(chǎng)合，同時(shí)需要考慮電解電容器的額定電壓、電容量、紋波電流、溫升、散熱、壽命等因素。

隨著薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展，和電解電容相比較，相同體積下可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)額定電壓1 000 V甚至更高電壓的大容量薄膜電容器，體積的減小使得相應(yīng)成本隨之大幅度下降。同時(shí)，薄膜電容器具有可以承受高紋波電流、過(guò)電壓、電壓反向應(yīng)用、高沖擊電流的特性，在更多的應(yīng)用場(chǎng)合可以替代電解電容器。

在新能源及新能源汽車(chē)領(lǐng)域中，對(duì)于薄膜電容器業(yè)而言，對(duì)新能源控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、電源逆變及直流交流切換系統(tǒng)的相關(guān)上游企業(yè)來(lái)講是一次難得的歷史性機(jī)遇，同時(shí)給不可或缺的電容器行業(yè)也帶來(lái)了一次難得的發(fā)展機(jī)遇。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及國(guó)家新能源政策的推廣，純電動(dòng)變頻空調(diào)成為新能源汽車(chē)應(yīng)用的必然趨勢(shì)，電動(dòng)變頻空調(diào)的變頻調(diào)速系統(tǒng)選擇薄膜電容器作為DC-Link電容器將成為電氣工程師設(shè)計(jì)選擇的最佳方案。