電解電容與薄膜電容的(de)對(duì)比分(fēn)析

長(cháng)期以來(lái), 鋁電解電容因其價格便宜導緻其使用(yòng)最爲廣泛, 然而最近幾年這(zhè)種趨勢卻發生了(le)顯著變化(huà), 避免使用(yòng)鋁電解電容的(de)情況正在增加, 主要原因在于鋁電解電容的(de)壽命較短, 這(zhè)一缺陷往往成爲設備的(de)薄弱環節[1-4]。鋁電解電容内部的(de)電解液會蒸發或産生化(huà)學變化(huà), 導緻靜電容量減少或等效串聯電阻 (ESR) 增大(dà), 随著(zhe)時(shí)間的(de)推移, 很可(kě)能出現電解液洩漏、爆炸、開路、擊穿或電參數惡化(huà)等現象。因此, 鋁電解電容的(de)壽命短是導緻其逐漸被替代的(de)重要原因。影(yǐng)響鋁電解電容壽命的(de)原因很多(duō), 其中工作條件是主要因素, 而溫度是對(duì)電解電容工作壽命影(yǐng)響最大(dà)的(de)因素, 過高(gāo)的(de)熱(rè)量将加速電解液蒸發, 當電解液的(de)存量減少到一定極限時(shí), 電解電容的(de)壽命也(yě)就終止了(le)。

鋁電解電容被逐漸替代的(de)原因, 不僅在于其壽命有限, 還(hái)在于當設備需要縮小體積、提高(gāo)電路耐壓能力和(hé)增大(dà)電流時(shí), 鋁電解電容也(yě)會有一定的(de)限制。迅速擺脫那些限制的(de)方法就是選用(yòng)其他(tā)類型的(de)電容[5-7]。自20世紀80年代開始, 金屬化(huà)膜及膜上分(fēn)割技術得(de)到了(le)長(cháng)足的(de)發展, 使薄膜電容的(de)體積和(hé)重量減小了(le)3~4倍, 因此薄膜電容的(de)工作電壓比鋁電解電容能更加經濟地覆蓋到600VDC~1 200VDC這(zhè)個(gè)範圍。

文獻[8]分(fēn)析了(le)鋁電解電容壽命老化(huà)的(de)機理(lǐ), 并通(tōng)過計算(suàn)剩餘電解質的(de)體積來(lái)估算(suàn)電解電容的(de)剩餘壽命。該文在計算(suàn)過程中考慮了(le)溫度對(duì)電解電容的(de)等效串聯電阻ESR的(de)影(yǐng)響。文獻[9]通(tōng)過計算(suàn)電容的(de)ESR值實現損傷評估, 提出了(le)一種基于直流電壓檢測的(de)ESR檢測方法。該方法僅需檢測DC/DC變換器的(de)直流側電壓, 然後通(tōng)過濾波、整流等步驟提取出直流輸出電壓中紋波電壓的(de)特征量, 并将此用(yòng)于标志電解電容ESR的(de)大(dà)小。文獻[10]給出了(le)電解電容核心溫度的(de)理(lǐ)論計算(suàn)方法, 對(duì)于使用(yòng)阿倫尼烏斯方程的(de)電解電容壽命評估方法也(yě)進行了(le)詳細分(fēn)析, 并采用(yòng)參數辨識的(de)方法對(duì)電解電容的(de)ESR進行提取, 以之作爲估算(suàn)電解電容損傷程度的(de)依據。文獻[11-14]提出了(le)使用(yòng)直流紋波電壓和(hé)紋波電流在線計算(suàn)ESR的(de)方法, 通(tōng)過對(duì)直流紋波電壓和(hé)電流基波的(de)比值計算(suàn)ESR, 并在紋波電壓和(hé)電流中濾除其直流成分(fēn), 防止負載變化(huà)的(de)幹擾。文獻[15]從鋁電解電容疲勞損傷機理(lǐ)出發, 基于已知的(de)老化(huà)規律對(duì)線性損傷理(lǐ)論在鋁電解電容疲勞損傷評估過程中的(de)應用(yòng)進行了(le)探索, 提出了(le)一種基于累積叠代的(de)鋁電解電容器直接疲勞損傷評估方法。文獻[16]分(fēn)别從紋波、壽命、掉電維持時(shí)間等方面給出了(le)電解電容的(de)選型方法。

文中在總結以上研究成果的(de)基礎上, 推導了(le)直流支撐電容容值及電容電流有效值的(de)計算(suàn)公式, 得(de)到了(le)兩者與負載功率、直流電壓、紋波電壓及頻(pín)率的(de)關系, 并通(tōng)過實例進行了(le)計算(suàn)和(hé)分(fēn)析;對(duì)薄膜電容與電解電容的(de)壽命進行了(le)分(fēn)析, 比較了(le)兩種電容壽命的(de)影(yǐng)響因素, 給出各自的(de)優缺點;對(duì)兩種大(dà)型電力電容分(fēn)别采用(yòng)薄膜電容與電解電容兩種方案進行了(le)設計, 對(duì)比分(fēn)析了(le)采用(yòng)兩種方案時(shí)薄膜電容與電解電容的(de)體積與重量。

電機變頻(pín)驅動系統通(tōng)常通(tōng)過整流器将三相交流電變爲直流電, 然後通(tōng)過逆變器變頻(pín)驅動電動機, 直流側一般需安裝直流支撐電容。

直流支撐電容的(de)容值近似由式 (1) 确定。

式中:Urip爲電壓紋波幅值;Umax爲電壓最大(dà)值;Pload爲負載功率;Frec爲整流輸出電壓頻(pín)率。

流過電容的(de)有效值電流近似表達式爲

下(xià)面以一個(gè)具體的(de)例子來(lái)加以說明(míng)。

直流電壓爲1 000V, 紋波電壓爲200V, 根據式 (1) 可(kě)得(de)到在不同功率等級情況下(xià)電容容值随頻(pín)率的(de)變化(huà)曲線 (見圖1) 。

根據式 (2) 可(kě)求得(de)當功率爲1 MW、100kW、10kW、5kW、1kW時(shí), 所需直流支撐電容的(de)電流有效值分(fēn)别爲2 221A、222A、22A、11A以及2.2A。在功率爲1 MW的(de)情況下(xià)使用(yòng)電解電容, 考慮到電解電容的(de)有效值電流被限制在約20mA/μF, 當有效值電流爲2 221A時(shí), 需要的(de)最小容值約爲111mF。由圖1可(kě)以看出, 對(duì)于三相整流系統而言, 頻(pín)率爲300 Hz時(shí), 對(duì)應1 MW的(de)曲線需要16.67 mF的(de)容值。顯然, 與電解電容相比, 如使用(yòng)薄膜電容方案, 由于其有效值電流被限制約爲1A/μF, 因此容值可(kě)以大(dà)大(dà)減小, 從而體積可(kě)以大(dà)大(dà)縮小, 且具有更高(gāo)的(de)可(kě)靠性。對(duì)于更低功率的(de)情況下(xià), 同樣能夠給出相同的(de)結果。

在某些工況下(xià), 直流支撐電容上會出現2倍額定電壓的(de)過電壓, 薄膜電容可(kě)以承受這(zhè)種過電壓, 而由于電解電容僅可(kě)承受最大(dà)約1.2倍的(de)額定電壓, 如額定電壓爲1 000V, 則電解電容的(de)最低額定電壓應約爲1 670V, 需要用(yòng)4個(gè)額定電壓爲450V的(de)電解電容進行串聯。

對(duì)于要求高(gāo)額定電壓的(de)場(chǎng)合, 薄膜電容的(de)解決方案無疑很有優勢, 但對(duì)于要求高(gāo)容值的(de)場(chǎng)合, 薄膜電容解決方案的(de)競争力就會有所降低。

薄膜電容允許有很長(cháng)的(de)壽命期望, 其壽命的(de)長(cháng)短由電壓條件與熱(rè)點溫度決定。

薄膜電容壽命曲線如圖2所示, 在工作電壓爲額定電壓、熱(rè)點溫度爲70 ℃的(de)情況下(xià), 薄膜電容器設計壽命長(cháng)達100kh。壽命結束的(de)标準爲電容容值減小15% , 然而這(zhè)是壽命結束的(de)理(lǐ)論值, 因爲在到達該點後, 電容器仍然能夠使用(yòng)。如果在應用(yòng)中允許容值減小20% , 壽命将得(de)到顯著的(de)增加。同時(shí), 爲達到電容的(de)壽命期望值, 電容使用(yòng)塑料殼或鋁殼并被樹脂密封, 保護電容不受環境的(de)影(yǐng)響。

電解電容最簡單的(de)壽命估算(suàn)方法如式 (3) 所示[10, 15]。

式中:L1和(hé)L2分(fēn)别爲溫度T1和(hé)T2時(shí)電解電容的(de)壽命。

從式 (3) 可(kě)知, 電容的(de)溫度每上升10℃, 其壽命降爲原來(lái)的(de)1/2。但需注意的(de)是, T1和(hé)T2不應僅考慮電容的(de)環境溫度, 還(hái)要考慮電容的(de)内部核心熱(rè)點溫度, 其表達式爲

式中:Tac爲環境溫度;ΔT爲電容内核的(de)溫升。

根據熱(rè)力學定律, 有

式中:Ploss爲電容内部的(de)發熱(rè)功率,

Rth1和(hé)Rth2分(fēn)别爲電容内部電解質和(hé)鋁殼之間、鋁殼和(hé)外部環境之間的(de)熱(rè)阻。通(tōng)過觀察式 (3) ~ (5) 不難發現, 電容内部發熱(rè)是其電解質散失、發生老化(huà)現象的(de)根本原因之一。

Ploss受下(xià)面幾種因素的(de)影(yǐng)響。

1) 環境溫度Tac:當紋波電流一定時(shí), 環境溫度越高(gāo), 鋁電解電容器使用(yòng)壽命越短;相反, 若降低工作溫度則可(kě)以大(dà)大(dà)延長(cháng)使用(yòng)壽命。故實際設計中, 要求電解電容器應遠(yuǎn)離發熱(rè)源。

2) ESR:随著(zhe)老化(huà)的(de)加劇, ESR逐漸增加, 從而Ploss、ΔT增加, 并最終形成正反饋過程。

3) 紋波電流Irip:紋波電流是指流過電解電容器的(de)交流分(fēn)量電流。而當環境溫度一定時(shí), 在允許範圍内, 流過的(de)紋波電流越大(dà), 在ESR上消耗的(de)電能轉化(huà)爲熱(rè)能越多(duō), 在電容器内部引起的(de)溫升就越大(dà), 從而縮短壽命。

基于上述分(fēn)析, 假設電容在溫度T0下(xià)的(de)壽命爲L0, 則通(tōng)過式 (3) ~ (6) 能夠最終推導出其壽命表達式爲

其中:A爲電容器表面積, cm2;H爲散熱(rè)系數, 通(tōng)常取值爲1.5~2.0×10-3 W (cm2·℃) -1。式 (9) 成立的(de)條件是電容采用(yòng)自然風冷(lěng)散熱(rè)。

單台支撐薄膜電容容值爲49 mF, 體積爲400mm×175mm×860mm, 重量約爲90kg, 可(kě)以承受最高(gāo)1 800VDC的(de)浪湧電壓, 極間耐壓可(kě)以達到1 650VDC。

如需用(yòng)鋁電解電容替代薄膜電容器, 至少需要450VDC電壓等級的(de)電解電容器 (市面上最常用(yòng)的(de)高(gāo)壓電解電容器) 通(tōng)過三串來(lái)實現 (電解電容能夠承受的(de)最大(dà)浪湧電壓約爲1.2倍額定電壓) , 所以電解電容三串所能承受的(de)最大(dà)浪湧電壓爲450×3×1.2=1 620VDC, 與薄膜電容器相比, 在耐壓方面還(hái)略有不足。

因此, 對(duì)于49 mF的(de)單台支撐薄膜電容, 鋁電解電容需要采用(yòng)450VDC、4 700μF的(de)電解電容, 通(tōng)過3串32并方式來(lái)實現。電解電容型号可(kě)以選爲ALS32A472NJA450, 尺寸爲ø77 mm×131mm, 重量爲0.865kg。按照(zhào)12×8排列 (12行8列) , 同時(shí)考慮到電容散熱(rè), 每兩隻電容之間需要隔開最少5 mm, 所以組合電容需要的(de)長(cháng)寬尺寸最少爲979mm×651mm。電解電容需使用(yòng)複合母排螺栓連接, 高(gāo)度估算(suàn)約爲145mm, 所以每一組電解電容的(de)尺寸約爲979mm×651mm×145mm (如算(suàn)上串聯時(shí)所需均壓電阻和(hé)固定空間體積則還(hái)需增加10% 以上) , 重量爲83kg (如算(suàn)上複合母排及固定安裝所需零件, 則重量最少爲90kg) 。

通(tōng)過以上數據的(de)對(duì)比計算(suàn)可(kě)以發現:①電解電容體積/薄膜電容體積比≈979×651×145× (1+10% ) / (400×175×860) =1.689。②電解電容重量/薄膜電容重量比≈90/90=1。

顯然, 使用(yòng)電解電容方案, 其體積遠(yuǎn)大(dà)于使用(yòng)薄膜電容方案, 而兩者的(de)重量相差不大(dà)。同時(shí), 需要指出的(de)是, 電解電容在壽命、安全性等方面遠(yuǎn)不如薄膜電容。

某大(dà)型三相三電平逆變裝置使用(yòng)4台40mF的(de)大(dà)型電力電容作爲支撐電容。單台40 mF薄膜電容體積約爲400mm×175mm×735mm, 重量約爲80kg。由此可(kě)得(de)到, 4台40mF薄膜電容在使用(yòng)時(shí)所需空間約爲400 mm×700 mm×735mm, 重量約爲320kg。該薄膜電容器單台可(kě)承受最高(gāo)1 800VDC的(de)浪湧電壓, 極間耐壓可(kě)達1 650VDC。

與3.1節類似, 如需用(yòng)鋁電解電容代替薄膜電容器, 則至少需要450VDC電壓等級的(de)電解電容器通(tōng)過三串來(lái)實現, 所以電解電容三串所能承受的(de)最大(dà)浪湧電壓爲450×3×1.2=1 620VDC。

以10mF/450VDC鋁電解電容爲例進行分(fēn)析。市面上10 mF/450 VDC鋁電解電容 (參照(zhào)EPCOS) 的(de)性能指标爲:尺寸ø90mm×220mm, 重量1.9kg。需要電解電容采取12并3串才能滿足容量爲40mF, 逆變裝置使用(yòng)4台40mF, 所以支撐電力電容的(de)總容量實際爲160 mF, 使用(yòng)10mF/450VDC鋁電解電容則需要48并3串才能滿足電容量需求。每48 隻爲一組, 按照(zhào)8×6排列 (8行6列) , 同時(shí)考慮到電容散熱(rè), 每兩隻電容之間需隔開最少5 mm, 所以每組電容需要的(de)長(cháng)寬尺寸最少爲755mm×565mm。電解電容需使用(yòng)複合母排螺栓連接, 高(gāo)度最少約爲240mm, 所以每一組電解電容的(de)尺寸最小爲755 mm×565mm×240mm。

由以上分(fēn)析可(kě)算(suàn)出144隻電解電容使用(yòng)時(shí)需要的(de)空間最少爲755mm×565mm×720mm (如算(suàn)上串聯時(shí)所需均壓電阻和(hé)固定空間體積, 則還(hái)需增加10% 以上) , 重量爲273.6kg (如算(suàn)上固定安裝所需零件, 則重量約爲300kg) 。

通(tōng)過以上數據的(de)對(duì)比計算(suàn)可(kě)以發現:①電解電容體積/薄膜電容體積比≈755×565×720× (1+10% ) / (400×700×735) =1.642。②電解電容重量/薄膜電容重量比≈300/320=0.937 5。

顯然, 在這(zhè)種設計情況下(xià), 使用(yòng)電解電容方案, 其體積也(yě)遠(yuǎn)大(dà)于使用(yòng)薄膜電容方案, 而兩者的(de)重量相差不大(dà)。同時(shí), 需要指出的(de)是, 電解電容在壽命、安全性等方面遠(yuǎn)不如薄膜電容。

文中通(tōng)過對(duì)電解電容與薄膜電容性能的(de)詳細論述和(hé)兩種電容優缺點的(de)比較分(fēn)析, 以實例驗證表明(míng):電解電容的(de)壽命主要由環境溫度及流過的(de)紋波電流大(dà)小決定, 其壽命較低是薄膜電容等固态電容在很多(duō)領域替代電解電容最主要的(de)原因。兩種電容相比較而言, 薄膜電容具有壽命長(cháng)、耐壓高(gāo)、電流承受能力強、能承受反壓、無酸污染并且可(kě)長(cháng)時(shí)間存貯等諸多(duō)優點。因此, 如果電容的(de)設計要求爲低電壓、低有效值電流、無反向電壓、無峰值電流及長(cháng)壽命, 選擇電解電容比薄膜電容會更合适。然而, 如果應用(yòng)中需要高(gāo)電壓、高(gāo)有效值電流、有過壓、有反向電壓、高(gāo)峰值電流, 同時(shí)還(hái)要長(cháng)壽命, 應優選薄膜電容。