直流链路应用中如何选择合适的电容器

由于功率半导体技术的进步和电路拓扑结构的改进，今天的逆变器和开关电源电路正在以前所未有的速度提供更高的性能。效率得到提高，待机功耗很快进入绿色能源区，物理电路尺寸正在缩小。甚至预期寿命也得到了提升。

这种性能推动的背后是不断变化的应用领域。较小的电源和逆变器更适合缩小消费和工业产品。逆变器曾在市场范围有限，现在是每个太阳能，风能和水能系统以及UPS设备，便携式电源等的核心。此外，在许多关键应用中，产品可靠性至关重要。

虽然这些改进的大部分归功于半导体制造商及其应用工程师，但电容器技术也取得了重大进展。多年来，铝电解电容器一直是电源设计的支柱，它们仍然是许多应用的最佳选择。

虽然我们没有看到铝电解技术的任何革命性飞跃，多年来一直有很多技术发展。这种蠕变使它们体积更小，更可靠，并且具有更低的ESR和纹波电流额定值。后两者对于采用DC链路电路的任何电源电路都特别重要。当然，这包括开关电源和逆变器。

电源金属化薄膜电容器的推进速度甚至超过了电解电容器。我们已经看到薄膜材料，金属化和整体器件构造的进化改进。虽然金属化功率薄膜和电解电容器具有一些应用重叠，但每种情况都具有最适合的情况。此外，薄膜电容器可用于更广泛的形状因数和终端。

本文将解决可能影响您在直流链路应用中对电容器做出的选择的实际问题。工程师通常努力选择符合功能和成本要求的最佳电路元件。在完成基本电气要求的计算之后，设备选择仍有很多可能的选择。在这个范围内，可能没有“错误”的选择，但肯定有好的，更好的和最好的选择。最佳选择将对成品电路的物理尺寸，成本，功率效率和可靠性产生有意义的影响。由于电容器是可以具有最短预期寿命的组件，因此该领域的改进可以产生更可靠的最终产品。

基础知识

DC链路（也称为总线链路） ）电路主要用于平衡输入源和输出负载或电源电路之间的瞬时功率变化（图1）。在开关电源的示例中，AC电力在不经过变压器的情况下被转换为DC，并且被馈送到高频功率振荡器。整流后，直流母线电容从正极施加到负极。在功率逆变器中，DC链路电容器与输入并联放置，以最小化负载变化时电压变化的影响。直流链路电容还为电源开关电路产生的纹波电流提供低阻抗路径。

图1：在开关电源中，整流后，直流母线电容器放置在正负导轨上（顶部）。在DC到AC电源逆变器中，它与输入（底部）并联放置。 （图片由Digi-Key Electronics提供）

由于设计人员选择使用更高频率的开关电源电路以减小变压器尺寸，因此功率器件产生的尖峰（接通和断开）需要更有效地去耦。为了最大限度地降低热量并最好地保护功率器件，直流链路电容需要具有非常低的等效串联电阻（ESR）和低自感。另一个关键性能指标是纹波电流。

了解规格

与电容选择相关的一些规范可能会令人困惑，即使您对这些术语的含义有基本的了解。但是，这仍然是一个很好的起点。我们知道，对于直流链路应用，电容应具有非常低的ESR，低自感和高纹波电流额定值。让我们仔细看看每一个。

根据应用它的有源电路，电容器还具有电阻器和电感器的特性。 ESR是指定频率和温度下电容器的所有内部电阻的总和。像电阻一样，它的测量单位是欧姆。因此，毫不奇怪，自感以与电感器相同的单位进行测量。在这种情况下，nano Henries（nH）。

到目前为止，这非常简单：ESR等一些参数应该更低，其他参数如纹波电流容差应该更高。纹波电流是电容器在特定条件下可承受的RMS交流和直流电流的总量，不会导致其失效。

与ESR一样，必须针对特定频率和温度定义纹波电流范围。虽然EIA已经建立了表达这些规范的标准，但并非所有电容器制造商都遵循该标准。因此，您可能会发现自己正在考虑两个不同制造商的部件，而没有直接的方法来进行逐项比较。如果您发现自己处于这种情况，最简单的解决方案是要求“奇怪”制造商为您提供可比较的规格或转移给其他供应商。

铝电解电容器

通常称为铝电解质或“溶解”，非常适合许多逆变器应用。它们通常具有几倍于薄膜盖的功率密度。这使得它们非常适合需要高电容以满足峰值负载要求和电压乘坐的应用（当电压水平出现瞬间下降时）。这些应用包括UPS单元和电机驱动器。 Cornell Dubilier Electronics拥有一系列合适的电解质，可在许多直流链路应用中使用。一个很好的例子是低ESR AFK系列，最大ESR为100 kHz和20˚C，范围从1.350Ω到0.033Ω（图2）。它还具有很高的耐寒性，工作温度范围-55˚C至105˚C。 100 kHz和105˚C时的最大纹波电流范围为90 mA至2.060 A.

图2：对于较低电压，电路板 - CDE AFK系列的最高ESR范围为1.350Ω至0.033Ω（100 kHz和20˚C）。它还具有较高的耐寒性，工作温度范围为-55˚C至105℃。 （图片由Cornell Dubilier Electronics提供）

Lytics的成本通常低于薄膜电容器，但不适用于超过550 VDC的总线电平。因此，有必要将电容器串联配置以达到所需的工作电压。根据操作条件，裂解物的寿命通常比胶片帽短得多。这是因为在铝电解质中，电容器的阴极是液体电解质。阳极是铝箔。随着时间的推移，电解质逐渐蒸发，降低了器件的容量。这就是为什么lytics经常在电容上过度指定，有效延长其寿命。

等式1：计算铝电解电容器使用寿命的公式。 （来源：Illinois电容器）

如上所述，由于液体电解质，所有铝电解电容器会随着时间的推移而变干，从而失去电容并削弱性能规格。这使得从可靠的来源（例如授权分销商）购买电容器尤其重要。当您从非特许经营来源购买时，您可能会购买接近或超过其日期代码的产品。与杂货产品一样，“销售日期”可确保您获得新鲜产品。这些日期代码并不总是易于解码。特许经营来源将保证您购买的电容器是新鲜的而不是伪造的。

金属化薄膜电容器

虽然金属化薄膜电容器比裂解电容器更昂贵，并且没有那么高在许多直流链路电路应用中，它们具有许多显着的优点。例如，它们的ESR较低且自感较低。它们可以在不损坏性能的情况下承受电涌，并具有卓越的自愈性能。与具有实际铝箔绕组的铝电解质不同，金属化薄膜盖构造有超薄金属层，其已经气相沉积在薄膜基板的表面上。如果薄膜层之间发生短路，则层间存储的高能量和金属化的薄度相结合，产生校正闪光，使故障在小于10μS内蒸发。这种动作如此之快，需要的能量非常小，以至于电容器的性能基本保持不变。

伊利诺伊州电容器的PHC系列是轴向引线薄膜电容器的一个很好的例子，非常适合直流链路应用（图3.）除了低ESR（在100 kHz和25˚C下2.4至12.9 mW）和高最大纹波电流（在100 kHz时高达14 A），它的轴向引线设计在具有点对点的电路中也能很好地工作。点布线。

图3：伊利诺伊电容器的PHC系列具有低ESR，高最大纹波电流和轴向引线设计，使其适合点到点布线。 （图片由Illinois Capacitor提供）

Cornell Dubilier Electronics 947D系列采用了不同的方法（图4）。它还专为逆变器/直流链路电路而设计，提供非常坚固的封装设计，带有螺钉端子。 ESR在100 kHz时低至0.9 mW，纹波电流额定值在62至101 A范围内，100 kHz。

图4：CDE的947D该系列具有非常高的纹波电流，非常适合风力，太阳能，燃料电池，UPS系统等的逆变器设计。 （图片由Cornell Dubilier Electronics提供）

薄膜电容器的其他好处包括：

体积小于电解质

更宽的温度范围

非极化

几乎无限的保质期和更长的使用寿命

能够通过降容大大提高估计的使用寿命

虽然电解槽通常采用圆柱形封装，可选择引线，卡扣式或螺钉端接，薄膜电容器说明器有更多的选择。这些包括圆形和盒式，端子设计用于直接安装到特定类型的功率半导体器件，而其他端子使用多个引线以实现PCB安装的最高可靠性。潜在的好处包括易于安装，增加电流容量，提高机械稳定性和产品可靠性。

等式2：估算金属化薄膜电容器寿命的公式，注意到它的寿命比经典电解电池长得多。 7.（来源：Illinois电容器）

该公司指出，工作条件会影响薄膜电容器的寿命，其方式与铝电解电容器非常相似。然而，与铝电解电容相比，电压降额对寿命的影响更大。

结论

选择最佳电容用于功率逆变器或其他直流链路应用通常开始比较所需的电容和纹波电流。确保您要比较的规格参考相同的操作标准。当从半导体制造商的应用电路开始时，请使用推荐的电介质技术，因为不同的电路拓扑结构可能与不同的电容器技术不匹配。根据电压和电容要求，比较预期产品寿命所需的最小纹波电流的成本。如果计划使用多个电解电容来满足电压要求或多个薄膜电容器以满足电容需求，请考虑所有相关成本。另请参阅物理包和终止需求的差异。