【工业开发者论坛精彩笔录】电力电子电容在绿色能源上的应用

中心议题：

    * 2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自雷度电子技术专家陈竹明在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

大家好，我是雷度的陈竹明，我们的展台就在B113，大家有兴趣可以去看一下。我这一次演讲的主题是电力电容在新能源上的一些应用，我先花一点时间介绍一下我们公司。我们公司的母公司是火炬电子，是一家军品的生产商，下面会有一个全职的子公司，叫雷度，专门做贸易、代理，也有10多年的历史。我们主要的产品（1：48：51），还有一些其他芯片的产线，这是整个公司发展的历程。我们在中国很多城市都有我们的销售网点，包括深圳、苏州、上海、西安、长沙这些地方都有我们的sales  office和分公司，这是雷度的整个公司架构，我是公司工业事业部的，专门负责中国区的工业市场，这是我们公司的一些主要的客户。在工业市场上包括艾默生、南北车、国家电网的电科院都是我们在这个市场上比较重要的客户，当然也是在这些行业当中一些标志性的客户。

我先介绍一下关于膜电容技术上的一些东西，对于膜电容来说，最重要的介质材料有两类，一类我们称之为聚丙烯，一类称为聚酯，对于大功率的电力电子来说用聚丙烯是比较多的。因为它有两个很好特性：第一，它有非常好的制御性能；第二，它的耐电压很高。对于聚酯的材料来说，它也有很优良的特性技术，它的高温特性比较好，但它的制御性和稳定性会比较差一些。在整个电力电子的材料选用上，一般来说，在小于450V以下的产品会选用聚酯，高于450V以上的大多数会选择聚丙烯这种PP的材料，当然还有其他的一些，PN，PPS有可能做到射频级薄膜电容。  

对我们来说，每一种接援的材料都有自己的击穿的电压，对于这种膜电容来说，它每微米的击穿电压大约是在600V。随着技术的进步和发展，这种接援电压会逐渐上升，现在大家所公认的是在600V左右。但实际上我们在设计的时候不会选用最高的接援电压去做设计，我们会用200V-240V之间，你去取200v还是240V是基于你自己产品设计的功率，如果是高温、高压的，械厂的电压会显得比较低。

 

另外，如果我们要得比较高压的产品，还有另外一种方式，在电容内部做串联设计。以现在膜电容技术来说，单个电容电压最高能做到100千伏，即100000伏的电压等级。对于膜电容来说，第二个非常优良的特性，我们称之为制御性能，当然这种制御性能基于它小的能量范围来说它才会体现制御，因为从它的材料和制造上说，我们是在一层接援薄膜上会喷射一层金色的铝或者锌，当然喷射铝是比较常见的，但在喷射的过程当中会有一些瑕疵，我们称之为弱点的瑕疵点。如果有比较大的能量或者大的电流或电压过来的时候，这种瑕疵点会产生很高的温度，温度就会把这一层铝挥发掉，它有可能击穿这一层介质薄膜。它在发挥这一层铝的时候会吸收非常大的能量，它把瑕疵点挥发掉了，这种特性我们称之为制御。当然这种制御是不可恢复性的，制御好了，过后会在周围形成一层接援区域，这层接援区域会很好的保护这种制御点，当然这是小能量的一种。如果是非常大的能量的时候，它可能会造成雪崩式的制御，这种雪崩式的制御是我们通常所说的短路。

为了避免短路现象发生，电力电子膜电容的供应商有一种新的设计方式，称之为片断膜的设计方式，这种设计方式能够非常有效防止雪崩式击穿现象的发生，现在很多供应厂商都会选用这种方式。这是一个比较详细的介绍（1：54：20）膜设计的图形，绿色这一部分有镀一层金属薄膜，白色的是金属膜剔除的。如果说你有很高的能量从这来过来的时候，这个地方因为面积最小，所以它发热的几率最大，因为它的电阻最大。如果说你的能量过来的时候，这个地方发热点是最高的，它有可能会断开，断开的时候会吸收很大的能量，它造成的后果是把这整个区域孤立开，所以这个地方的结构类似于一种（flees 1：55：8）的结构，下面是它很简单的示意图。但有很多这种结构把它并联起来，一个保险丝或者一个（flees）断掉了，会吸收很大的能量。通过这种方式，使电力电子的膜电容的（失效）模式是一种open式模式，是一种安全失效模式。这种结构非常多，我们根据INC的标准会有一个实验，每50V电压链一直加到它的容量损失100帕，也就是它的容量变为零，在加的很超电压的过程当中这个电源还是安全的，不会发生等恶性的失效，这种片断膜的结构是大功率电力电子的膜电容安全性的一个很重要的保证。

另外，我们在选择对它的过流能力设计的时候，我们一般都会用在安全区域里面，每个膜电容所承受的纹波电流有限，因为我们要保证它的极限值在安全区域里面。

第二，基于这种片断膜的设计，我们能保证电容的容量的衰减率，我们通过片断膜的设计控制它的容量衰减率，一般大功率的薄膜电容在10万小时寿命结束的时候，容量只是衰减到2%或者5%的范围。如果超过我们设计寿命的时候，它的容量衰减的速率我们不太会很精确的计算，它的衰减速率有多快。过一会儿我会讲到以10万小时的基点去做设计的。 如果早期膜式电容或者没有片断膜结构的电容的寿命基本不可控，我们并不知道这个电容在什么时候炸掉了或者很恶性的失效，这种油膜式的电容或者是非片断膜的金属化膜电容现在几乎用得非常少，大多数用的是金属化的片断膜的结构。我们在设计这个产品的时候基准点是1比1的电压，产品的标准电压和你的工作电压是不需要降额，70度的热点温度，我过一会儿讲一下热点温度是什么意思。第三个是10万小时，这个焦点就在这个地方，如果你没有特殊要求的时候会按照这种方式去做设计。反过来说，你的应用电压要提高，你的热点温度不变的情况下，它的寿命会衰减。如果你的热点温度提高了，应用电压没有变，使用寿命也会衰减。这个曲线所体现的就是这个意思，其他的三个曲线是它每一种参数对寿命的影响。

 

刚才是一种定性的描述，如果你需要定量的来描述这种产品寿命的时候有这种关系，工作电压跟产品电压，第二个是热点温度。当然工作电压跟产品电压这两个对客户来说是非常容易得到的，比较难得到的是产品的电容本身里面的热点温度。对圆柱状的产品来说，几乎是它的集合中心点，是电容里面最热的那一部分，如果能得到（hosbol  1：59：49），我们会通过两种方式。

第一，你想得到这种（hosbol），我们会提供一种带热电偶的产品给你，直接通过仪器去测量，能够拿到非常精确的数字。

第二，我们可以通过计算的方式来得到热点温度。热点温度=环境温度加热损，热损来自两方面，一方面是介质损耗，另外一方面是电阻损耗。我们通过这些参数，加上RTH就能够算出这个产品的热点温度是多少。当然如果拿到了热点温度再回到上面，我们能够很精确的给出这个电力电子的膜电容在实际应用当中可以使用多长时间。

你们去我们的展台上看的时候，就知道这种膜电容种类非常多，它之所以有这么多产品的选择，是基于它卷绕的技术。现在从这个行业的状况来看，无外乎是这六种，标准式卷绕，同心轴式、圆环状，下面是柔性的卷绕和叠层式的，每一种卷绕技术都有相对应的产品。对这种卷绕技术来说，大功率方块状的产品应该体现电力电子膜电容的技术水平，对于这种产品来说有两种卷绕方式，一种我们称之为柔性卷绕，就是这种，另外一种是叠层式的，这两种最大差别是它的容积率，里面的电芯和体积的比例，柔性卷绕的容积率可能达到95%，叠层式的容积有100%，它几乎不需要浪费任何空间，这是它的第一个差别。第二，柔性卷绕能够做到很高压，就像我刚才所说这种产品能做到10万伏的电压，叠层式的电压比较低，一般630V以下会选用叠层式的，如果高于630V可能会选用柔性的卷绕技术来做。

填充技术，曾经有用过或者在使用的有三种，一种是油式的，另外一种是充气体，填充树脂。当然比较流行的是填充树脂之后注油，注油大多数是用在大功率的场合，原因很简单，如果你填充注油的产品来说，它的电压的场强会加在这层膜上。如果你用注气体或注树脂的时候，电容里的空气会对电场有一定影响，在低压地方，用这两种比较多，高压的会用这种。这也是它们之间的一些差别，资料上有，如果你们看兴趣，你们可以好好去看一下。

电容是一个被动的器件，但它对（perfomens  2：3：40）的影响也是非常重要，在整个上面的成本所占的比重也很大。

第一，很大的应用是机车，我们在做母线滤波的地方，现在在南车、北车等客户当中，都在用这种（英文  2：4：04）高压薄膜电容，另外一个是类似于充当安规电容用的产品，也叫GTO的产品，这种是西门子最喜欢用这种设计。 第二，（英文  2：4：28）如果你需要交流的，我们也能提供单向的或三向的交流产品给你，C4A、C9T。如果你要用直流的薄膜电容，我们有圆柱状、方块状的，类似于这种，这些类型的产品从400V到300V的都可以提供给你。当然如果是非常大功率的，类似于GTO的这种会有FPG、FPX，如果你需要一些（？）的，你也可以选用电解电容。当然在风电上能用上电容的三个地方，网子和机车的交流电容，第二个是（diclink  2：5：25的直流母线滤波，第三个是slable）吸收电容。如果你需要交流滤波电容，我们有三向和单向的，850V的三向的和780V单向的，这是在这个市场上用多比较多的。110V的（diclink），330微法，420、500和400微法等等这些容量都是在市场上非常通用的。圆柱状的，如果你是需要（Slable）1600伏的，我们跟一些比较好的IGPT供应商有很好的配合，基本上都能找到满足这家（的封装方式提供给客户。英文  2：6：23）能够提供交流的单向或三向的产品，（diclink）也是一样，小功率的，我们可以提供box状的，如果是大功率，可以提供圆柱状的，当然现在比较少的用方块状的产品，（slable）也是一样，基本上能够找到跟所有的IGBT去做配套用的）吸收电容。

 

汽车，这个行业很久不是发展得太好，现在混合动力汽车有一些很标准的方案，像（2：7：12）等等，如果说我们都有跟它的方案上提供配他的一些（diclink），就是砖块状的产品。如果有的客户不想用这些方案供应商所提供的既有的方案，它可以自己做设计，我们也可以提供跟你定制各种不同类型的砖块状的产品。如果你想去做一些（nokos2：7：42）的方案，我们也可以提供这种圆柱状的，成本相对来说比较便宜，但可能体积或结构做得不是很紧凑。这应该说是高压的输配电，是中国在近两年兴起起来的一个市场，以北京的电科院为领头的市场。它对电容的产品需要很高的要求，大多数是使用2000多伏左右的高压，我们现在基本上是现在中国所有的AHVD客户的供应商，大多数是提供定制的，你可以把你对电容产品的要求告诉我们，我们可以跟你去定制你所需要的各种容量和电压，包括各种结构的产品。

电单的比较一下电解和膜电容之间的差别，因为刚刚有提到电解电容也能做（diclink），膜电容也能做（diclink），实际上这两个有一些差别。

第一，电解有方向性的，膜电容是没有方向性的。你在第一次使用的时候，不需要去担心有没有把极性接反。

第二，ESR值，膜电容通过无感的结构来做，它的ESR，和ESL都是非常低的，电解电容是有感的结构来做的，所以它的ESR值和ESL都是很高。膜电容的ESR都100纳钠以下，ESR都是在几个毫欧，寿命，膜电容的使用寿命最标准的设计寿命是100000小时，大约是10年的设计。电解电容大多数在10000小时以内，其他的对环境的要求，因为电解电容里面有液体，它对环境的储存、使用条件要求比较苛刻一点。膜电容是一种干式的，它在储存、使用环境上的，比方说海拔或者耐酸碱性等要求就不显得那么苛刻了。
我们通过另外一个比较，如果你要选择能量型的，电解电容会比较有优势，因为它的容量比较大。但如果你选择其他的，像纹波电流或者电压，膜电容就有很占大的优势。

我们举一个例子，如果你想得到一个1000V直流的应用电压和需要过滤掉30个安培的纹波电流。你选择这个电容的时候，你可能会有两种方案，一种是你会选择电解电容，550V和1500微法，这个电容是可以供你选择的。单个电容的纹波电阻是15安培，如果你要得到1000V，你就要串两个，但串两个后的纹波电流还是15安培，你要得到30安培的纹波电流，你需要并两个，如果你想满足1000V30安培的设计要求，你需要用4颗550V和1500微法容量的产品。如果你选择膜电容，你选择一个500微法或者1500V的产品，就能满足你的设计要求。从这个设计上看，膜电容能够把体积做得很紧凑，电解电容需要用铜牌去做连接，体积又比较大，这是一个意识。

第二，如果从总体的成本上看，这种膜电容还是占优势。4个电解电容的成本一定会比一个膜电容的成本要高，这就是为什么现在越来越多在一些风电、太阳能上，越来越多的客户会选择膜电容的很重要的一个原因。今天的演讲到这儿就结束了，如果你们有什么样的问题或者你想了解很多产品方面的信息，可以去B113看，这个资料在网站上也应该能下载下来，如果你们需要，我也可以拷给你们。

本文整理自 2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问http://www.52solution.com/data/datainfo/id/4880