电解电容与薄膜电容的对比分析

时间:2018-5-16 分享到:
摘要:在综合现有文献基础上, 对电解电容与薄膜电容的优缺点进行了对比分析。首先, 分析了影响铝电解电容寿命的主要因素, 给出了对电解电容寿命进行估算的方法。然后, 针对交-直-交电力电子变换器, 在综合考虑电容容值、电流有效值、过电压、负载功率等多因素的情况下, 对直流支撑电容进行了设计, 说明了在功率变化电路中薄膜电容远优于电解电容。最后, 针对两类大型电力电容器, 分别采用电解电容方案与薄膜电容方案进行了对比设计。结果表明:与电解电容方案相比, 薄膜电容方案不仅具有寿命长、耐压高、电流承受能力强、能承受反压、无酸污染并且可长时间存贮等诸多优点, 而且在体积上也明显小于电解电容方案。

 

长期以来, 铝电解电容因其价格便宜导致其使用最为广泛, 然而最近几年这种趋势却发生了显著变化, 避免使用铝电解电容的情况正在增加, 主要原因在于铝电解电容的寿命较短, 这一缺陷往往成为设备的薄弱环节[1-4]。铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化, 导致静电容量减少或等效串联电阻 (ESR) 增大, 随着时间的推移, 很可能出现电解液泄漏、爆炸、开路、击穿或电参数恶化等现象。因此, 铝电解电容的寿命短是导致其逐渐被替代的重要原因。影响铝电解电容寿命的原因很多, 其中工作条件是主要因素, 而温度是对电解电容工作寿命影响最大的因素, 过高的热量将加速电解液蒸发, 当电解液的存量减少到一定极限时, 电解电容的寿命也就终止了。

铝电解电容被逐渐替代的原因, 不仅在于其寿命有限, 还在于当设备需要缩小体积、提高电路耐压能力和增大电流时, 铝电解电容也会有一定的限制。迅速摆脱那些限制的方法就是选用其他类型的电容[5-7]。自20世纪80年代开始, 金属化膜及膜上分割技术得到了长足的发展, 使薄膜电容的体积和重量减小了3~4倍, 因此薄膜电容的工作电压比铝电解电容能更加经济地覆盖到600VDC~1 200VDC这个范围。

文献[8]分析了铝电解电容寿命老化的机理, 并通过计算剩余电解质的体积来估算电解电容的剩余寿命。该文在计算过程中考虑了温度对电解电容的等效串联电阻ESR的影响。文献[9]通过计算电容的ESR值实现损伤评估, 提出了一种基于直流电压检测的ESR检测方法。该方法仅需检测DC/DC变换器的直流侧电压, 然后通过滤波、整流等步骤提取出直流输出电压中纹波电压的特征量, 并将此用于标志电解电容ESR的大小。文献[10]给出了电解电容核心温度的理论计算方法, 对于使用阿伦尼乌斯方程的电解电容寿命评估方法也进行了详细分析, 并采用参数辨识的方法对电解电容的ESR进行提取, 以之作为估算电解电容损伤程度的依据。文献[11-14]提出了使用直流纹波电压和纹波电流在线计算ESR的方法, 通过对直流纹波电压和电流基波的比值计算ESR, 并在纹波电压和电流中滤除其直流成分, 防止负载变化的干扰。文献[15]从铝电解电容疲劳损伤机理出发, 基于已知的老化规律对线性损伤理论在铝电解电容疲劳损伤评估过程中的应用进行了探索, 提出了一种基于累积迭代的铝电解电容器直接疲劳损伤评估方法。文献[16]分别从纹波、寿命、掉电维持时间等方面给出了电解电容的选型方法。

文中在总结以上研究成果的基础上, 推导了直流支撑电容容值及电容电流有效值的计算公式, 得到了两者与负载功率、直流电压、纹波电压及频率的关系, 并通过实例进行了计算和分析;对薄膜电容与电解电容的寿命进行了分析, 比较了两种电容寿命的影响因素, 给出各自的优缺点;对两种大型电力电容分别采用薄膜电容与电解电容两种方案进行了设计, 对比分析了采用两种方案时薄膜电容与电解电容的体积与重量。

1 直流支撑电容容值及过电压设计

电机变频驱动系统通常通过整流器将三相交流电变为直流电, 然后通过逆变器变频驱动电动机, 直流侧一般需安装直流支撑电容。

直流支撑电容的容值近似由式 (1) 确定。

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式中:Urip为电压纹波幅值;Umax为电压最大值;Pload为负载功率;Frec为整流输出电压频率。

流过电容的有效值电流近似表达式为

电解电容与薄膜电容的对比分析

下面以一个具体的例子来加以说明。

直流电压为1 000V, 纹波电压为200V, 根据式 (1) 可得到在不同功率等级情况下电容容值随频率的变化曲线 (见图1) 。

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图1 电容容值随频率变化的曲线Fig.1 Variety curves of capacitance versus frequency   下载原图

根据式 (2) 可求得当功率为1 MW、100kW、10kW、5kW、1kW时, 所需直流支撑电容的电流有效值分别为2 221A、222A、22A、11A以及2.2A。在功率为1 MW的情况下使用电解电容, 考虑到电解电容的有效值电流被限制在约20mA/μF, 当有效值电流为2 221A时, 需要的最小容值约为111mF。由图1可以看出, 对于三相整流系统而言, 频率为300 Hz时, 对应1 MW的曲线需要16.67 mF的容值。显然, 与电解电容相比, 如使用薄膜电容方案, 由于其有效值电流被限制约为1A/μF, 因此容值可以大大减小, 从而体积可以大大缩小, 且具有更高的可靠性。对于更低功率的情况下, 同样能够给出相同的结果。

在某些工况下, 直流支撑电容上会出现2倍额定电压的过电压, 薄膜电容可以承受这种过电压, 而由于电解电容仅可承受最大约1.2倍的额定电压, 如额定电压为1 000V, 则电解电容的最低额定电压应约为1 670V, 需要用4个额定电压为450V的电解电容进行串联。

对于要求高额定电压的场合, 薄膜电容的解决方案无疑很有优势, 但对于要求高容值的场合, 薄膜电容解决方案的竞争力就会有所降低。

2 薄膜电容与电解电容的寿命估算

2.1 薄膜电容的寿命

薄膜电容允许有很长的寿命期望, 其寿命的长短由电压条件与热点温度决定。

薄膜电容寿命曲线如图2所示, 在工作电压为额定电压、热点温度为70 ℃的情况下, 薄膜电容器设计寿命长达100kh。寿命结束的标准为电容容值减小15% , 然而这是寿命结束的理论值, 因为在到达该点后, 电容器仍然能够使用。如果在应用中允许容值减小20% , 寿命将得到显著的增加。同时, 为达到电容的寿命期望值, 电容使用塑料壳或铝壳并被树脂密封, 保护电容不受环境的影响。

图2 薄膜电容寿命曲线Fig.2 Life-time curves of thin film capacitor   下载原图

2.2 电解电容的寿命

电解电容最简单的寿命估算方法如式 (3) 所示[10, 15]。

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式中:L1和L2分别为温度T1和T2时电解电容的寿命。

从式 (3) 可知, 电容的温度每上升10℃, 其寿命降为原来的1/2。但需注意的是, T1和T2不应仅考虑电容的环境温度, 还要考虑电容的内部核心热点温度, 其表达式为

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式中:Tac为环境温度;ΔT为电容内核的温升。

根据热力学定律, 有

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式中:Ploss为电容内部的发热功率,

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Rth1和Rth2分别为电容内部电解质和铝壳之间、铝壳和外部环境之间的热阻。通过观察式 (3) ~ (5) 不难发现, 电容内部发热是其电解质散失、发生老化现象的根本原因之一。

Ploss受下面几种因素的影响。

1) 环境温度Tac:当纹波电流一定时, 环境温度越高, 铝电解电容器使用寿命越短;相反, 若降低工作温度则可以大大延长使用寿命。故实际设计中, 要求电解电容器应远离发热源。

2) ESR:随着老化的加剧, ESR逐渐增加, 从而Ploss、ΔT增加, 并最终形成正反馈过程。

3) 纹波电流Irip:纹波电流是指流过电解电容器的交流分量电流。而当环境温度一定时, 在允许范围内, 流过的纹波电流越大, 在ESR上消耗的电能转化为热能越多, 在电容器内部引起的温升就越大, 从而缩短寿命。

基于上述分析, 假设电容在温度T0下的寿命为L0, 则通过式 (3) ~ (6) 能够最终推导出其寿命表达式为

式中:
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其中:A为电容器表面积, cm2;H为散热系数, 通常取值为1.5~2.0×10-3 W (cm2·℃) -1。式 (9) 成立的条件是电容采用自然风冷散热。

3 大型电力电容设计的两个示例

3.1 49mF单台大型电力电容设计

单台支撑薄膜电容容值为49 mF, 体积为400mm×175mm×860mm, 重量约为90kg, 可以承受最高1 800VDC的浪涌电压, 极间耐压可以达到1 650VDC。

如需用铝电解电容替代薄膜电容器, 至少需要450VDC电压等级的电解电容器 (市面上最常用的高压电解电容器) 通过三串来实现 (电解电容能够承受的最大浪涌电压约为1.2倍额定电压) , 所以电解电容三串所能承受的最大浪涌电压为450×3×1.2=1 620VDC, 与薄膜电容器相比, 在耐压方面还略有不足。

因此, 对于49 mF的单台支撑薄膜电容, 铝电解电容需要采用450VDC、4 700μF的电解电容, 通过3串32并方式来实现。电解电容型号可以选为ALS32A472NJA450, 尺寸为ø77 mm×131mm, 重量为0.865kg。按照12×8排列 (12行8列) , 同时考虑到电容散热, 每两只电容之间需要隔开最少5 mm, 所以组合电容需要的长宽尺寸最少为979mm×651mm。电解电容需使用复合母排螺栓连接, 高度估算约为145mm, 所以每一组电解电容的尺寸约为979mm×651mm×145mm (如算上串联时所需均压电阻和固定空间体积则还需增加10% 以上) , 重量为83kg (如算上复合母排及固定安装所需零件, 则重量最少为90kg) 。

通过以上数据的对比计算可以发现:①电解电容体积/薄膜电容体积比≈979×651×145× (1+10% ) / (400×175×860) =1.689。②电解电容重量/薄膜电容重量比≈90/90=1。

显然, 使用电解电容方案, 其体积远大于使用薄膜电容方案, 而两者的重量相差不大。同时, 需要指出的是, 电解电容在寿命、安全性等方面远不如薄膜电容。

3.2 4台40mF大型电力电容设计

某大型三相三电平逆变装置使用4台40mF的大型电力电容作为支撑电容。单台40 mF薄膜电容体积约为400mm×175mm×735mm, 重量约为80kg。由此可得到, 4台40mF薄膜电容在使用时所需空间约为400 mm×700 mm×735mm, 重量约为320kg。该薄膜电容器单台可承受最高1 800VDC的浪涌电压, 极间耐压可达1 650VDC。

与3.1节类似, 如需用铝电解电容代替薄膜电容器, 则至少需要450VDC电压等级的电解电容器通过三串来实现, 所以电解电容三串所能承受的最大浪涌电压为450×3×1.2=1 620VDC。

以10mF/450VDC铝电解电容为例进行分析。市面上10 mF/450 VDC铝电解电容 (参照EPCOS) 的性能指标为:尺寸ø90mm×220mm, 重量1.9kg。需要电解电容采取12并3串才能满足容量为40mF, 逆变装置使用4台40mF, 所以支撑电力电容的总容量实际为160 mF, 使用10mF/450VDC铝电解电容则需要48并3串才能满足电容量需求。每48 只为一组, 按照8×6排列 (8行6列) , 同时考虑到电容散热, 每两只电容之间需隔开最少5 mm, 所以每组电容需要的长宽尺寸最少为755mm×565mm。电解电容需使用复合母排螺栓连接, 高度最少约为240mm, 所以每一组电解电容的尺寸最小为755 mm×565mm×240mm。

由以上分析可算出144只电解电容使用时需要的空间最少为755mm×565mm×720mm (如算上串联时所需均压电阻和固定空间体积, 则还需增加10% 以上) , 重量为273.6kg (如算上固定安装所需零件, 则重量约为300kg) 。

通过以上数据的对比计算可以发现:①电解电容体积/薄膜电容体积比≈755×565×720× (1+10% ) / (400×700×735) =1.642。②电解电容重量/薄膜电容重量比≈300/320=0.937 5。

显然, 在这种设计情况下, 使用电解电容方案, 其体积也远大于使用薄膜电容方案, 而两者的重量相差不大。同时, 需要指出的是, 电解电容在寿命、安全性等方面远不如薄膜电容。

4 结论

文中通过对电解电容与薄膜电容性能的详细论述和两种电容优缺点的比较分析, 以实例验证表明:电解电容的寿命主要由环境温度及流过的纹波电流大小决定, 其寿命较低是薄膜电容等固态电容在很多领域替代电解电容最主要的原因。两种电容相比较而言, 薄膜电容具有寿命长、耐压高、电流承受能力强、能承受反压、无酸污染并且可长时间存贮等诸多优点。因此, 如果电容的设计要求为低电压、低有效值电流、无反向电压、无峰值电流及长寿命, 选择电解电容比薄膜电容会更合适。然而, 如果应用中需要高电压、高有效值电流、有过压、有反向电压、高峰值电流, 同时还要长寿命, 应优选薄膜电容。

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