设计电力电子的工程师发现，电容器有多种功能，从储能到滤波和去耦。电容器有多种类型，乍一看，它们的电容和电压额定值似乎相同，但性能却不尽相同。选择不当，的情况下会导致昂贵的“过度设计”解决方案，坏的情况下会导致不可靠或不安全的产品。
　　本文介绍了电力电子应用中可能考虑使用的不同类型的电容器。特别是，对电解电容器和薄膜电容器进行了比较，展示了它们各自的作用方式和时间。文中更详细地描述了各种薄膜类型及其结构，并确定了类型。文中详细研究了电容、纹波电流额定值、瞬态电压抗扰度和安全额定值以及其他特性的规格。文中讨论了电压应力后的“自修复”现象，解释了其物理机制及其在典型电路中的价值。文中介绍了薄膜电容器在电力电子中的主要应用，并提供了如何选择合适薄膜电容器类型的指导。然后，文中对一些示例电路进行了详细计算，展示了如何选择特定的电容器及其额定值。计算结果经过了推广，以便工程师可以将其用作设计的基础。
　　很难想象任何现代电子产品中不包含某种类型的电容器。例如，它们可能是手机中非常小的表面贴装类型，但它们仍然存在。在电力电子中，其功能是滤波、能量处理和传输，相比之下，电容器体积可以以立方英寸为单位进行测量。在这种应用中，有时似乎可以在铝 (Al) 电解液和薄膜类型之间做出选择，但就储存能量密度而言，铝电解液在某些方面处于地位。可比的薄膜类型是奇特且昂贵的，例如“分段高结晶金属化丙烯”，即使在这种薄膜类型下，它们也无法在高温下很好地保持其纹波电流额定值。铝电解液在使用寿命和可靠性方面声誉相对较差，但这仅适用于高强度工作。适当降低电压、纹波电流和温度，它们可以使用很多年。当然，给定容量电压 (CV) 额定值时，它们的低成本是一个重要因素。这意味着它们是大容量储能应用的实用解决方案，例如商品 AC-DC 电源的内部高压 DC 总线。
　　薄膜电容器类型确实比铝电解电容器具有一些优势；在相同的 CV 额定值下，它们的等效串联电阻 (ESR) 更低，这通常使它们的纹波电流额定值更好。它们对电压过应力的耐受性也相对较高，而且在某些情况下，在一定程度的故障后可以“自我修复”，从而提高系统可靠性和使用寿命。当发生局部击穿时，薄膜电容器体内会形成短路，但会产生等离子弧，以清除短路。但这仅在应力限制内有效；由于碳沉积和介电绝缘的附带损坏，仍然可能发生灾难性故障。实际上，铝电解电容器通常只能承受 20% 的电压过应力，而薄膜电容器在有间内可以承受 100%。故障模式的差异也很大；铝电解电容器在过应力后通常会短路，结果爆炸，导致液体电解质排出并损坏其他组件。
　　确实，铝电解电容器和薄膜电容器的理论故障率与正确降额相当，但在实际应用中，偶尔会出现电压应力，例如电感负载或雷击，这两种技术的系统可靠性可能完全不同。薄膜电容器因湿度而导致的性能下降是一个问题，但这与其他元件一样，因此应加以控制，以获得可靠性。
　　当能量存储不是主要参数时，大容量薄膜电容器可以成为一种高性能解决方案。一个例子是电池供电的直流总线，例如电动汽车、替代能源系统和不间断电源中看到的。在这些应用中，电容器的主要功能是提供和吸收高频纹波电流，这些电流可能以数百或数千安培为单位测量，其中低电容器 ESR 对于实现低损耗和低纹波电压至关重要。
　　转向更高的总线电压也有利于薄膜电容器类型；在高电压下，较小的 CV 额定值可以存储相同的能量（由于 E=CV 2 /2 中的“平方”），因此需要的容量较小，并且薄膜类型可以根据需要提供 kV 额定值。铝电解电容器受其技术限制，电压约为 550V，虽然它们可以堆叠以获得更高的电压，但它们固有的高且可变的漏电流需要并联平衡电阻器，这会产生相关的成本和损耗。我们讨论了铝电解电容器的短路故障模式；当串联时，其中一个发生这种故障会将高电压施加到其他电容器上，从而造成大量后续损坏。

　　薄膜电容器和铝电解电容器之间的一个实际区别在于它们的安装选项。薄膜电容器采用体积高效的矩形盒形式，可选择电线、螺钉、接线片、推入式连接器甚至母线端子。对于铝电解电容器，圆形金属罐是的标准选择，尽管也有类似的端子可供选择。与铝电解电容器不同，薄膜电容器是非极性的，它们可以在施加任何极性电压的情况下正常工作，从而具有防反接功能。这也意味着它们非常适合施加交流电压的应用，例如逆变器输出滤波。

　　图 1 [1]总结了可能用于电力电子的某些类型及其主要特征。

　　在性能数据中，聚丙烯是电源应用的有力竞争者，因为它具有宽电压和电容范围以及良好的自愈性能。所有频率下耗散因数 (DF) 特别低的数字也很重要；DF 是 ESR 与电容电抗 ZC = 1/2πfC 的比率。与其他电介质相比，较低的数字意味着较低的加热效应，并且是比较不同类型电容器每微法拉容量损耗的一种方式。通常，DF 会随温度和频率略有变化，但聚丙烯在比较中表现，请参见图2中的图表。

　　图 2聚丙烯薄膜的典型耗散因子随温度和频率的变化（来源：Cornell Dubilier）
　　对于电力领域不太重要的应用，聚酯凭借其高比电容（每体积 CV）和宽温度范围，可以成为极好的低成本选择。
　　聚丙烯电容器结构

　　现在更详细地看一下聚丙烯电容器，它有两种基本结构——金属箔和金属沉积（图 3）

　　图3薄膜电容器构造技术
　　在前者中，厚度约为 5 微米的金属箔夹在介电层之间，可提供高峰值电流能力，但没有自愈功能。在金属化膜结构中，铝或有时是锌或锌合金在约 1200°C 下在真空下沉积到聚丙烯膜上，厚度约为 20 至 50nm。沉积过程中，薄膜保持在低温下，通常为 ?25°C 至 ?35°C。在此过程中，可实现自愈。在使用中，局部击穿会导致强烈加热，可能高达 6000°C，从而形成等离子弧。这会使局部金属化蒸发，等离子体的快速膨胀会熄灭电弧，在约 10?s 内隔离缺陷区域，使电容器继续工作。一些容量会损失，但影响很小，如果长期监测，它可以用作组件老化的衡量标准。
　　金属化层有时会在薄膜上被分割成多个区域，可能有数百万个，其中狭窄的“门”将电流输送到各个区域，并充当严重过载的保险丝。由于总电流路径变窄，峰值电流处理能力会略有降低，但因此引入的额外安全裕度允许电容器额定电压更高。
　　在一些设计中，箔和金属化结构相结合，在峰值电流处理和自修复之间实现折衷性能。金属化也可以从电容器的边缘开始分级，这样边缘较厚的材料可以提供更好的电流处理能力，并通过焊接或焊接实现更坚固的端接。分级可以是阶梯式的，也可以是连续的。
　　局部放电效应

　　所用的聚丙烯薄膜的介电强度约为 650V/?m，厚度约为 2m，因此很容易获得几 kV 的设备电压额定值，并且部件的电压为 100kV。但是，在非常高的电压下会产生一种影响 - 局部放电或“PD”。有时称为“电晕”，这是介电材料主体或绝缘层之间气隙中微孔的击穿。其效果是在绝缘层中插入“部分”短路，从而有效地缩短绝缘路径并局部降低击穿阈值电压。每次短路都会对剩余绝缘层施加额外的压力，随着时间的推移，这些压力会累积到临界点，从而发生完全击穿。局部放电的检测依赖于专用设备，通过高压测试期间流动的瞬态额外电流来记录单个击穿事件。虽然事件中的能量以皮库仑为单位，很难检测到，但它是衡量绝缘状态随时间变化的良好指标。 “帕申曲线描述了 PD 效应”（图 4），图 A 具有其特征性，并且微孔尺寸与击穿电压之间的关系鲜为人知的“值”。图 B 和 C 是通过绝缘体的两个示例场强 - 帕申曲线（A）上方的点可能产生 PD 击穿。PD 具有击穿开始的“起始”电压，但在击穿停止之前具有较小的“熄灭”电压。

　　图 4帕申曲线
　　用油浸渍高压电容器有助于防止局部放电，因为油浸渍会取代绝缘界面上的空气（空气的击穿阈值较低）。用树脂填充的低压电容器在这方面也有帮助，并且还能提高机械强度。
　　PD 是由电场强度（kV/mm）引起的效应，因此较厚的介电材料不太容易受到影响，但代价是相同 CV 额定值的元件尺寸较大。电容器可以串联连接，这样它们单独看到的电压应力较低，低于 PD 起始点，但可能需要平衡电阻。有时高压电容器由一个外壳中的串联元件组成，以避免 PD。
　　电容器在电力电子中的应用

　　我们提到，一个关键应用是电源转换器或逆变器直流总线上的电容器，而提供“穿越”或“保持”的需求是选择铝电解电容器或薄膜电容器类型的一个区别因素。举个例子，看看每种类型如何适用，也许会很有启发性。以一个效率为 90%、带有功率因数校正前端的 1kW 离线 AC-DC 转换器为例。其内部直流总线在标称 400VDC 下运行，在转换器停止调节之前降至 300VDC（图 5）。

　　图 5铝电解电容器提供高效的穿越能力

　　如果断电后需要 20ms 的过渡时间，则直流总线上需要一个电容器来为转换器提供能量，使其在断电期间继续以 1kW 的输出运行。要计算所需的电容 (C)，我们将电容器从 400V (Vn) 降至 300V (Vd) 时的能量差与提供给转换器的能量相等，即功率 (Po) 乘以时间 (t) 除以效率 (η)。

　　选择 TDK B43508 系列中的传统电容器，其体积约为 3 立方英寸或 52cm 3。要从 TDK B32678 系列中类似级别的薄膜电容器获得相同的总电容和额定电压，您需要并联 16 个电容器，总体积为 98 立方英寸或 1600cm 3。尺寸差异约为 30 倍，成本比率也类似。
　　如果不需要穿越，但使用电容器来化 400VDC 总线上的纹波电压（例如在 EV 应用中可能会发现），典型值可能是下游 20kHz 转换器获取的 80A rms 纹波电流 (Irms)，纹波电压为 4V rms。电容 C 可以近似为：
　　您有时会看到一个适用于此位置的电容器的经验法则，即每 ?F 额定电流为 20mA，与我们的结果相符。TDK B43508系列中有一款小型低成本部件，额定电流为 180?F、450V，但在 60°C 时纹波电流额定值仅为 3.5A rms，包括其频率校正系数。因此，我们需要并联 23 个电容器来实现 80A 纹波电流，总电容为 4140F，体积约为 38 立方英寸或 621cm 3，考虑到较差的封装系数。每个电容器的 ESR 约为 1 欧姆，因此在 3.5A rms 的情况下，每个电容器将耗散约 10W。如果我们再看看薄膜电容器，同样是 TDK B32678 系列，仅并联四个，共计 160F，450V，容量为 132A rms，体积为 24.5 立方英寸或 402cm 3。电容器 ESR 为 2.5 毫欧姆，每个电容器的功耗仅为 1W。情况反过来，薄膜电容器是正确的选择，其功耗低得多，过压耐受性更好，电容，浪涌能量远低于 4140?F。薄膜电容器是易于端接的引线盒式，只需四个即可。

　　选择电容器的决定性因素可能是成本，而不是物理体积和耗散，因此我们可以采用相同的两个 TDK 系列电容器，并比较每焦耳能量存储值和每安培纹波电流额定值。使用来自高服务分销商[4]的数据，对于约 180uF 450V 额定值，铝电解电容器的储能成本约为 0.47 美元/焦耳，薄膜电容器的储能成本约为 3 美元/焦耳。对于纹波电流，铝电解电容器为 2.68 美元/安培，薄膜电容器为 0.42 美元/安培。这表明，根据应用要求，近 6:1 的成本优势如何逆转。在大批量生产的情况下，成本会降低，但比率可能保持相似。

　　薄膜电容器作为缓冲器

　　电源转换器中电容器的另一个高价值应用是“缓冲”，即故意减慢开关波形以降低 EMI 和半导体应力（图 6）。这里，重要的考虑因素是电容器承受高 dV/dt 或施加电压变化率的能力，这些变化率可能会将高均方根电流推入元件。同样，聚丙烯是一个不错的选择，特别是当金属化为双面并与金属箔结合制造以承受高电流时。用于该应用的电容器通常还具有非常低的电感端接以实现低交流阻抗，以及高耐压裕度以应对有时不确定的峰值电压。

　　图 6缓冲网络中的薄膜电容器 
　　薄膜电容器作为电源滤波器

　　尽管滤波通常被视为信号电平功能，但在逆变器和电机驱动器中，输出电容器会传递高纹波电流，以防止电缆上的高 dV/dt 水平导致应力和 EMI（图 7）。当交流电传送到负载时，电容器必须是非极化的，无论如何，铝电解电容器除外。应用环境通常很恶劣，聚丙烯电容器的坚固性、纹波额定值和容积效率必不可少。

　　图 7电机驱动 EMI 滤波中的薄膜电容器
　　EMI 滤波器

　　薄膜电容器广泛用于电源线 EMI 滤波器，主要原因并不是它们的纹波电流额定值，而是它们在发生电压瞬变时具有自愈特性（图 8）。机构安全等级聚丙烯电容器的额定值通常为“X1”或“X2”，当跨线承受 4kV 和 2.5kV 时，它们的值可以达到几 F，以满足 EMI 标准。用于衰减共模辐射的线到地电容器是“Y1”和“Y2”类型，额定值为 8kV 和 5kV，但受线路漏电流考虑，其值受到限制。在这些 EMI 滤波应用中，典型薄膜电容器的低自感是一个优势，可保持较高的自谐振。

　　图 8带有薄膜“X”和“Y”电容器的典型电源线滤波器
　　薄膜电容器在电力电子领域应用广泛，在需要高纹波电流额定值或环境施加过压应力时表现出色，聚丙烯类型尤其有价值。当比较薄膜和铝电解电容器的 CV 额定值时，更深入的分析表明，虽然铝电解电容器在简单的储能考虑方面胜出，但实际的元件选择必须考虑纹波电流额定值和可靠性，而薄膜电容器通常是更好的选择。