了解、选择用于电源应用的薄膜电容器

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

太阳能电池板和电动汽车 (EV) 的使用在持续增加。他们的电源系统依赖于 DC/DC 转换器和 DC/AC 逆变器，需要电容器来降低低频纹波、过滤导致电磁干扰 (EMI) 的高频成分，并吸收瞬态负载电流，以防止这些因素影响电源一次侧。这类电源应用的电容器必须可靠、紧凑、轻便、寿命长，并具有良好的高频性能。

虽然薄膜电容器非常适合这些电源应用，但设计人员必须了解其结构和特性，做出正确选择。

本文将简要介绍薄膜电容器。然后，以 [Eaton-Electronics Division] 的产品为例，讨论如何为电源应用选择和使用薄膜电容器。

薄膜电容器

与所有电容器一样，薄膜电容器包括两块导电板，中间由一层塑料薄膜组成的绝缘介质隔开，塑料薄膜通常由聚丙烯制成，是一种低损耗、高强度介质（图 1）。导电板是薄金属箔或沉积在电介质上的薄金属层。将金属箔和薄膜缠绕在芯轴上，连接引线，然后将电容器封装在塑料外壳中并用环氧树脂密封，以保护电容器不受环境影响。

图 1：薄膜电容器由包含交替的金属层和电介质层的卷绕芯轴组成，密封在保护性塑料外壳中。（图片来源：Eaton-Electronics Division，由 Art Pini 修改）

虽然薄膜电容器的能量密度相对较低，但却具有高电容密度和其他一些特性。首先，薄膜电容器无极性，AC 和 DC 电路都适用。与使用液态或半液态电解质的电容器相比，薄膜电容器的干式固态电介质的可靠性更高，而且电容值稳定，温度稳定性极佳。较低的等效串联电感 (ESL) 和等效串联电阻 (ESR) 确保高效处理高纹波电流，使薄膜电容器非常适合高频应用。薄膜电容器最大的特点可能是其自愈能力。如果发生介电击穿，就会产生一个局部热点，使邻近的金属蒸发后形成一个不导电的孔，但电容器仍能正常工作，从而延长使用寿命。

薄膜电容器

薄膜电容器专为特定应用而设计，常见类型包括安全、DC 链路、AC 滤波器和脉冲。安全薄膜电容器用于减弱 AC 线路滤波应用中的传导辐射。许多国际安全标准都规定了传导 EMI 要求。考虑一下为电动汽车配备一个通过线路供电的 DC 充电器。在 DC 快速充电站中，通过电容器进行共模和差模 EMI 滤波，可为噪声信号提供一条低阻抗路径进行分流，同时实现最低功率耗散。

EMI 抑制通过线路滤波器实现，这种线路滤波器包括电源线和开关电源之间的薄膜电容器（图 2）。

图 2：安全薄膜电容器 CX 和 CY 集成到线路滤波器中，防止 EMI 传播到电源线上。（图片来源：Eaton-Electronics Division）

标有 CX 的电容器线对线放置的，可减少差模 EMI。CY 电容器从每条线路连接至地，可减少共模 EMI。

DC 链路电容器是 AC 级之间 DC 电路中的平滑滤波器。例如，在电机驱动电路的整流器和逆变器级之间的 DC 母线上安装一个电感器电容器 (L-C) 滤波器（图 3）。

图 3：所示为 DC 链路薄膜电容器，用于电机驱动电路整流器和逆变器级之间的 L-C 滤波器。（图片来源：Eaton-Electronics Division）

除电机驱动器外，这些电容器还经常用于 AC 输入和 AC 输出具有不同电压水平的电源变频器和其他大功率充电电路中。例如，考虑太阳能发电系统中的分布式逆变器，它使用了 DC 链路薄膜电容器来减少级间噪声和瞬态（图 4）。

图 4：DC 链路薄膜电容器可抑制太阳能发电系统升压转换器和逆变器之间的噪声和瞬态。(图片来源：Eaton-Electronics Division）

薄膜电容器可减少 Vlink 线路向控制电路反馈信息时产生的杂散信号，从而提高性能。

AC 滤波电容器有助于消除三相 AC 电源等应用中不必要的谐波频率（图 5）。

图 5：所示为用于对三相电源进行滤波的 AC 滤波电容器。（图片来源：Eaton-Electronics Division）

薄膜脉冲电容器设计用于保护敏感元件不受高 dV/dt 电压变化的影响。这类电容器用于脉冲电子和功率逆变器应用。专为高能量密度而设计，这类电容器可在谐振腔功率转换器等电路中实现快速脉冲功率输出（图 6）。

图 6：脉冲薄膜电容器形成一个谐振腔电路，可根据电源转换器的开关频率进行调节，消除变压器次级中的谐波。（图片来源：Eaton-Electronics Division）

谐振腔电路可显著提高“电感器-电感器-电容器 (LLC)”功率转换器的效率。脉冲电容器用于根据电源转换器的开关频率调节谐振腔电路。谐振腔可消除变压器次级的谐波。此外，谐振腔还能实现功率转换器开关的软开关，从而降低损耗并提高效率。

薄膜电容器的结构

每种薄膜电容器的特性都取决于所使用的材料和薄膜层的几何形状。例如，Eaton-Electronics Division 的 [EFACA25J155D032LH] AC 滤波电容器是一种 1.5 microfarad (mF) ±5% 电容器，最大额定电压为 250 V。该器件通过了 AEC-Q200 汽车应用认证并获得 THB IIIB 级防潮认证。

薄膜电容器由金属化电介质层交替叠加形成。对于额定电压最低的电容器（180VAC 至 300 VAC ），交替层分别连接至单独的引线。多层并联会增加总电容，而两层或多层串联会增大额定电压（图 7）。

图 7：串联多个电容器可提高薄膜电容器的额定电压。(图片来源：Eaton-Electronics Division，由 Art Pini 修改）

引线连接至分离金属层的每一侧，以获得更高的额定电压（350 VAC 至 500 V AC） 。相邻层具有与引线隔离的单层金属化薄膜，并用作公共电容器板，从而形成两个串联电容器。这种结构提高了二者击穿电压，同时降小了电容。通过并联多个电容对，可以增大电容。

600 VAC 至 760 VAC 额定电容器采用相同的隔离式分体结构原理，在每组堆叠层对中形成三个串联电容器。

脉冲电容器的应用和结构

脉冲电容器专为高 dV/dt 和高电流的应用而设计，具有较低的 ESR 和 ESL，从而提高了吸收瞬态电压尖峰能量的能力。这类电容器具有自愈特性，可确保其长期可靠地运行。

脉冲薄膜电容器非常适合开关模式电源中的缓冲器应用，可保护有源开关设备不受开关过程中出现的电压尖峰和振铃的影响。如图 8 所示，一个脉冲薄膜电容器 (C1) 与一个电阻器 (R1) 和一个二极管 (D1) 组成一个缓冲器，用于吸收 MOSFET 开关关断期间变压器寄生电感产生的电压尖峰。

图 8：诸如 C1 等脉冲薄膜电容器非常适合开关模式电源中的缓冲器应用，可以吸收 MOSFET 开关关断期间变压器寄生电感产生的电压尖峰。(图片来源：Art Pini）

反激式开关模式电源转换器中的 MOSFET 断开时，漏极电流达到最大。变压器电感的作用是维持这一电流，并迅速升高电压。初始放电时，缓冲电路中的电容器会吸收感应生成的尖峰能量，以保护 MOSFET 开关。通过保持较低的 ESL，电容作用的响应时间得以缩短，从而使缓冲器能够处理高 dV/dt 瞬态。低 ESR 允许在开关关断期间吸收瞬态能量所需的大电流。

脉冲薄膜电容器的结构经过优化，可处理高 dV/dt 和由此产生的电流（图 9）。

图 9：脉冲薄膜电容器的内部结构采用了双面金属化介电薄膜，以降低 ESR。（图片来源：Eaton-Electronics Division）

Eaton-Electronics Division 的薄膜脉冲电容器使用双面金属化介质膜，有效地将电容器板和引线连接之间的接触面积增加了一倍，从而降低了电容器的 ESR 并提高了其电流能力。例如，[EFPLS1GJ223B072LH] 器件是一款 0.022 mF ±5% 脉冲薄膜电容器，额定最大电压为 1600 V。该电容器的 ESR 为 30 毫欧 (mΩ)，ESL 为 12 纳亨 (nH),其最大 dV/dt 规格为每微秒 6,000 V (V/µs)，额定有效值电流为 3.2 A，额定峰值电流为 132 A。

相关的 EFPLA 系列包括用于汽车等恶劣环境的脉冲薄膜电容器，这些产品都符合 THB IIIB 等级和 AEC-Q200 规范要求。例如， Eaton 的 [EFPLA2AJ153B092LH] 器件是一款额定电压为 2,000 V 的 0.015 mF ±5% 脉冲薄膜电容器，其 ESR 为 45 mΩ，ESL 为 12 nH。该器件的最大 dV/dt 规格为 4,500 V/µs，额定有效值电流为 3 A，额定峰值电流为 142.5 A。

结语

薄膜电容器采用干式非极化技术，具有较高电容密度。这类电容器的电容值稳定，不受温度影响，可处理高纹波电流以及脉冲和浪涌电压，适用于高频和功率应用。这类电容器的金属化结构还具有自愈能力，可提高可靠性，延长运行寿命，并有助于建立更出色的故障机制。Eaton-Electronics Division 提供的金属化聚丙烯薄膜电容器种类繁多且在不断增加，其功能经过优化，适用于多种不同的应用和工作环境。