作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

太陽(yáng)能電池板和電動(dòng)汽車 (EV) 的使用在持續(xù)增加。他們的電源系統(tǒng)依賴于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 DC/AC 逆變器，需要電容器來降低低頻紋波、過濾導(dǎo)致電磁干擾 (EMI) 的高頻成分，并吸收瞬態(tài)負(fù)載電流，以防止這些因素影響電源一次側(cè)。這類電源應(yīng)用的電容器必須可靠、緊湊、輕便、壽命長(zhǎng)，并具有良好的高頻性能。

雖然薄膜電容器非常適合這些電源應(yīng)用，但設(shè)計(jì)人員必須了解其結(jié)構(gòu)和特性，做出正確選擇。

本文將簡(jiǎn)要介紹薄膜電容器。然后，以 [Eaton-Electronics Division] 的產(chǎn)品為例，討論如何為電源應(yīng)用選擇和使用薄膜電容器。

薄膜電容器

與所有電容器一樣，薄膜電容器包括兩塊導(dǎo)電板，中間由一層塑料薄膜組成的絕緣介質(zhì)隔開，塑料薄膜通常由聚丙烯制成，是一種低損耗、高強(qiáng)度介質(zhì)（圖 1）。導(dǎo)電板是薄金屬箔或沉積在電介質(zhì)上的薄金屬層。將金屬箔和薄膜纏繞在芯軸上，連接引線，然后將電容器封裝在塑料外殼中并用環(huán)氧樹脂密封，以保護(hù)電容器不受環(huán)境影響。

圖 1：薄膜電容器由包含交替的金屬層和電介質(zhì)層的卷繞芯軸組成，密封在保護(hù)性塑料外殼中。（圖片來源：Eaton-Electronics Division，由 Art Pini 修改）

雖然薄膜電容器的能量密度相對(duì)較低，但卻具有高電容密度和其他一些特性。首先，薄膜電容器無極性，AC 和 DC 電路都適用。與使用液態(tài)或半液態(tài)電解質(zhì)的電容器相比，薄膜電容器的干式固態(tài)電介質(zhì)的可靠性更高，而且電容值穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定性極佳。較低的等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR) 確保高效處理高紋波電流，使薄膜電容器非常適合高頻應(yīng)用。薄膜電容器最大的特點(diǎn)可能是其自愈能力。如果發(fā)生介電擊穿，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部熱點(diǎn)，使鄰近的金屬蒸發(fā)后形成一個(gè)不導(dǎo)電的孔，但電容器仍能正常工作，從而延長(zhǎng)使用壽命。

薄膜電容器

薄膜電容器專為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)，常見類型包括安全、DC 鏈路、AC 濾波器和脈沖。安全薄膜電容器用于減弱 AC 線路濾波應(yīng)用中的傳導(dǎo)輻射。許多國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了傳導(dǎo) EMI 要求?？紤]一下為電動(dòng)汽車配備一個(gè)通過線路供電的 DC 充電器。在 DC 快速充電站中，通過電容器進(jìn)行共模和差模 EMI 濾波，可為噪聲信號(hào)提供一條低阻抗路徑進(jìn)行分流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最低功率耗散。

EMI 抑制通過線路濾波器實(shí)現(xiàn)，這種線路濾波器包括電源線和開關(guān)電源之間的薄膜電容器（圖 2）。

圖 2：安全薄膜電容器 CX 和 CY 集成到線路濾波器中，防止 EMI 傳播到電源線上。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

標(biāo)有 CX 的電容器線對(duì)線放置的，可減少差模 EMI。CY 電容器從每條線路連接至地，可減少共模 EMI。

DC 鏈路電容器是 AC 級(jí)之間 DC 電路中的平滑濾波器。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的整流器和逆變器級(jí)之間的 DC 母線上安裝一個(gè)電感器電容器 (L-C) 濾波器（圖 3）。

圖 3：所示為 DC 鏈路薄膜電容器，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路整流器和逆變器級(jí)之間的 L-C 濾波器。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

除電機(jī)驅(qū)動(dòng)器外，這些電容器還經(jīng)常用于 AC 輸入和 AC 輸出具有不同電壓水平的電源變頻器和其他大功率充電電路中。例如，考慮太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的分布式逆變器，它使用了 DC 鏈路薄膜電容器來減少級(jí)間噪聲和瞬態(tài)（圖 4）。

圖 4：DC 鏈路薄膜電容器可抑制太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器之間的噪聲和瞬態(tài)。(圖片來源：Eaton-Electronics Division）

薄膜電容器可減少 Vlink 線路向控制電路反饋信息時(shí)產(chǎn)生的雜散信號(hào)，從而提高性能。

AC 濾波電容器有助于消除三相 AC 電源等應(yīng)用中不必要的諧波頻率（圖 5）。

圖 5：所示為用于對(duì)三相電源進(jìn)行濾波的 AC 濾波電容器。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

薄膜脈沖電容器設(shè)計(jì)用于保護(hù)敏感元件不受高 dV/dt 電壓變化的影響。這類電容器用于脈沖電子和功率逆變器應(yīng)用。專為高能量密度而設(shè)計(jì)，這類電容器可在諧振腔功率轉(zhuǎn)換器等電路中實(shí)現(xiàn)快速脈沖功率輸出（圖 6）。

圖 6：脈沖薄膜電容器形成一個(gè)諧振腔電路，可根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，消除變壓器次級(jí)中的諧波。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

諧振腔電路可顯著提高“電感器-電感器-電容器 (LLC)”功率轉(zhuǎn)換器的效率。脈沖電容器用于根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)諧振腔電路。諧振腔可消除變壓器次級(jí)的諧波。此外，諧振腔還能實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)的軟開關(guān)，從而降低損耗并提高效率。

薄膜電容器的結(jié)構(gòu)

每種薄膜電容器的特性都取決于所使用的材料和薄膜層的幾何形狀。例如，Eaton-Electronics Division 的 [EFACA25J155D032LH] AC 濾波電容器是一種 1.5 microfarad (mF) ±5% 電容器，最大額定電壓為 250 V。該器件通過了 AEC-Q200 汽車應(yīng)用認(rèn)證并獲得 THB IIIB 級(jí)防潮認(rèn)證。

薄膜電容器由金屬化電介質(zhì)層交替疊加形成。對(duì)于額定電壓最低的電容器（180VAC 至 300 VAC ），交替層分別連接至單獨(dú)的引線。多層并聯(lián)會(huì)增加總電容，而兩層或多層串聯(lián)會(huì)增大額定電壓（圖 7）。

圖 7：串聯(lián)多個(gè)電容器可提高薄膜電容器的額定電壓。(圖片來源：Eaton-Electronics Division，由 Art Pini 修改）

引線連接至分離金屬層的每一側(cè)，以獲得更高的額定電壓（350 VAC 至 500 V AC） 。相鄰層具有與引線隔離的單層金屬化薄膜，并用作公共電容器板，從而形成兩個(gè)串聯(lián)電容器。這種結(jié)構(gòu)提高了二者擊穿電壓，同時(shí)降小了電容。通過并聯(lián)多個(gè)電容對(duì)，可以增大電容。

600 VAC 至 760 VAC 額定電容器采用相同的隔離式分體結(jié)構(gòu)原理，在每組堆疊層對(duì)中形成三個(gè)串聯(lián)電容器。

脈沖電容器的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)

脈沖電容器專為高 dV/dt 和高電流的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有較低的 ESR 和 ESL，從而提高了吸收瞬態(tài)電壓尖峰能量的能力。這類電容器具有自愈特性，可確保其長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。

脈沖薄膜電容器非常適合開關(guān)模式電源中的緩沖器應(yīng)用，可保護(hù)有源開關(guān)設(shè)備不受開關(guān)過程中出現(xiàn)的電壓尖峰和振鈴的影響。如圖 8 所示，一個(gè)脈沖薄膜電容器 (C1) 與一個(gè)電阻器 (R1) 和一個(gè)二極管 (D1) 組成一個(gè)緩沖器，用于吸收 MOSFET 開關(guān)關(guān)斷期間變壓器寄生電感產(chǎn)生的電壓尖峰。

圖 8：諸如 C1 等脈沖薄膜電容器非常適合開關(guān)模式電源中的緩沖器應(yīng)用，可以吸收 MOSFET 開關(guān)關(guān)斷期間變壓器寄生電感產(chǎn)生的電壓尖峰。(圖片來源：Art Pini）

反激式開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器中的 MOSFET 斷開時(shí)，漏極電流達(dá)到最大。變壓器電感的作用是維持這一電流，并迅速升高電壓。初始放電時(shí)，緩沖電路中的電容器會(huì)吸收感應(yīng)生成的尖峰能量，以保護(hù) MOSFET 開關(guān)。通過保持較低的 ESL，電容作用的響應(yīng)時(shí)間得以縮短，從而使緩沖器能夠處理高 dV/dt 瞬態(tài)。低 ESR 允許在開關(guān)關(guān)斷期間吸收瞬態(tài)能量所需的大電流。

脈沖薄膜電容器的結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可處理高 dV/dt 和由此產(chǎn)生的電流（圖 9）。

圖 9：脈沖薄膜電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用了雙面金屬化介電薄膜，以降低 ESR。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

Eaton-Electronics Division 的薄膜脈沖電容器使用雙面金屬化介質(zhì)膜，有效地將電容器板和引線連接之間的接觸面積增加了一倍，從而降低了電容器的 ESR 并提高了其電流能力。例如，[EFPLS1GJ223B072LH] 器件是一款 0.022 mF ±5% 脈沖薄膜電容器，額定最大電壓為 1600 V。該電容器的 ESR 為 30 毫歐 (mΩ)，ESL 為 12 納亨 (nH),其最大 dV/dt 規(guī)格為每微秒 6,000 V (V/μs)，額定有效值電流為 3.2 A，額定峰值電流為 132 A。

相關(guān)的 EFPLA 系列包括用于汽車等惡劣環(huán)境的脈沖薄膜電容器，這些產(chǎn)品都符合 THB IIIB 等級(jí)和 AEC-Q200 規(guī)范要求。例如， Eaton 的 [EFPLA2AJ153B092LH] 器件是一款額定電壓為 2,000 V 的 0.015 mF ±5% 脈沖薄膜電容器，其 ESR 為 45 mΩ，ESL 為 12 nH。該器件的最大 dV/dt 規(guī)格為 4,500 V/μs，額定有效值電流為 3 A，額定峰值電流為 142.5 A。

結(jié)語(yǔ)

薄膜電容器采用干式非極化技術(shù)，具有較高電容密度。這類電容器的電容值穩(wěn)定，不受溫度影響，可處理高紋波電流以及脈沖和浪涌電壓，適用于高頻和功率應(yīng)用。這類電容器的金屬化結(jié)構(gòu)還具有自愈能力，可提高可靠性，延長(zhǎng)運(yùn)行壽命，并有助于建立更出色的故障機(jī)制。Eaton-Electronics Division 提供的金屬化聚丙烯薄膜電容器種類繁多且在不斷增加，其功能經(jīng)過優(yōu)化，適用于多種不同的應(yīng)用和工作環(huán)境。