由于功率半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，今天的逆變器和開關(guān)電源電路正在以前所未有的速度提供更高的性能。效率得到提高，待機(jī)功耗很快進(jìn)入綠色能源區(qū)，物理電路尺寸正在縮小。甚至預(yù)期壽命也得到了提升。

這種性能推動的背后是不斷變化的應(yīng)用領(lǐng)域。較小的電源和逆變器更適合縮小消費和工業(yè)產(chǎn)品。逆變器曾在市場范圍有限，現(xiàn)在是每個太陽能，風(fēng)能和水能系統(tǒng)以及UPS設(shè)備，便攜式電源等的核心。此外，在許多關(guān)鍵應(yīng)用中，產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要。

雖然這些改進(jìn)的大部分歸功于半導(dǎo)體制造商及其應(yīng)用工程師，但電容器技術(shù)也取得了重大進(jìn)展。多年來，鋁電解電容器一直是電源設(shè)計的支柱，它們?nèi)匀皇窃S多應(yīng)用的最佳選擇。

雖然我們沒有看到鋁電解技術(shù)的任何革命性飛躍，多年來一直有很多技術(shù)發(fā)展。這種蠕變使它們體積更小，更可靠，并且具有更低的ESR和紋波電流額定值。后兩者對于采用DC鏈路電路的任何電源電路都特別重要。當(dāng)然，這包括開關(guān)電源和逆變器。

電源金屬化薄膜電容器的推進(jìn)速度甚至超過了電解電容器。我們已經(jīng)看到薄膜材料，金屬化和整體器件構(gòu)造的進(jìn)化改進(jìn)。雖然金屬化功率薄膜和電解電容器具有一些應(yīng)用重疊，但每種情況都具有最適合的情況。此外，薄膜電容器可用于更廣泛的形狀因數(shù)和終端。

本文將解決可能影響您在直流鏈路應(yīng)用中對電容器做出的選擇的實際問題。工程師通常努力選擇符合功能和成本要求的最佳電路元件。在完成基本電氣要求的計算之后，設(shè)備選擇仍有很多可能的選擇。在這個范圍內(nèi)，可能沒有“錯誤”的選擇，但肯定有好的，更好的和最好的選擇。最佳選擇將對成品電路的物理尺寸，成本，功率效率和可靠性產(chǎn)生有意義的影響。由于電容器是可以具有最短預(yù)期壽命的組件，因此該領(lǐng)域的改進(jìn)可以產(chǎn)生更可靠的最終產(chǎn)品。

基礎(chǔ)知識

DC鏈路（也稱為總線鏈路） ）電路主要用于平衡輸入源和輸出負(fù)載或電源電路之間的瞬時功率變化（圖1）。在開關(guān)電源的示例中，AC電力在不經(jīng)過變壓器的情況下被轉(zhuǎn)換為DC，并且被饋送到高頻功率振蕩器。整流后，直流母線電容從正極施加到負(fù)極。在功率逆變器中，DC鏈路電容器與輸入并聯(lián)放置，以最小化負(fù)載變化時電壓變化的影響。直流鏈路電容還為電源開關(guān)電路產(chǎn)生的紋波電流提供低阻抗路徑。

圖1：在開關(guān)電源中，整流后，直流母線電容器放置在正負(fù)導(dǎo)軌上（頂部）。在DC到AC電源逆變器中，它與輸入（底部）并聯(lián)放置。 （圖片由Digi-Key Electronics提供）

由于設(shè)計人員選擇使用更高頻率的開關(guān)電源電路以減小變壓器尺寸，因此功率器件產(chǎn)生的尖峰（接通和斷開）需要更有效地去耦。為了最大限度地降低熱量并最好地保護(hù)功率器件，直流鏈路電容需要具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR）和低自感。另一個關(guān)鍵性能指標(biāo)是紋波電流。

了解規(guī)格

與電容選擇相關(guān)的一些規(guī)范可能會令人困惑，即使您對這些術(shù)語的含義有基本的了解。但是，這仍然是一個很好的起點。我們知道，對于直流鏈路應(yīng)用，電容應(yīng)具有非常低的ESR，低自感和高紋波電流額定值。讓我們仔細(xì)看看每一個。

根據(jù)應(yīng)用它的有源電路，電容器還具有電阻器和電感器的特性。 ESR是指定頻率和溫度下電容器的所有內(nèi)部電阻的總和。像電阻一樣，它的測量單位是歐姆。因此，毫不奇怪，自感以與電感器相同的單位進(jìn)行測量。在這種情況下，nano Henries（nH）。

到目前為止，這非常簡單：ESR等一些參數(shù)應(yīng)該更低，其他參數(shù)如紋波電流容差應(yīng)該更高。紋波電流是電容器在特定條件下可承受的RMS交流和直流電流的總量，不會導(dǎo)致其失效。

與ESR一樣，必須針對特定頻率和溫度定義紋波電流范圍。雖然EIA已經(jīng)建立了表達(dá)這些規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，但并非所有電容器制造商都遵循該標(biāo)準(zhǔn)。因此，您可能會發(fā)現(xiàn)自己正在考慮兩個不同制造商的部件，而沒有直接的方法來進(jìn)行逐項比較。如果您發(fā)現(xiàn)自己處于這種情況，最簡單的解決方案是要求“奇怪”制造商為您提供可比較的規(guī)格或轉(zhuǎn)移給其他供應(yīng)商。

鋁電解電容器

通常稱為鋁電解質(zhì)或“溶解”，非常適合許多逆變器應(yīng)用。它們通常具有幾倍于薄膜蓋的功率密度。這使得它們非常適合需要高電容以滿足峰值負(fù)載要求和電壓乘坐的應(yīng)用（當(dāng)電壓水平出現(xiàn)瞬間下降時）。這些應(yīng)用包括UPS單元和電機(jī)驅(qū)動器。 Cornell Dubilier Electronics擁有一系列合適的電解質(zhì)，可在許多直流鏈路應(yīng)用中使用。一個很好的例子是低ESR AFK系列，最大ESR為100 kHz和20?C，范圍從1.350Ω到0.033Ω（圖2）。它還具有很高的耐寒性，工作溫度范圍-55?C至105?C。 100 kHz和105?C時的最大紋波電流范圍為90 mA至2.060 A.

圖2：對于較低電壓，電路板 - CDE AFK系列的最高ESR范圍為1.350Ω至0.033Ω（100 kHz和20?C）。它還具有較高的耐寒性，工作溫度范圍為-55?C至105℃。 （圖片由Cornell Dubilier Electronics提供）

Lytics的成本通常低于薄膜電容器，但不適用于超過550 VDC的總線電平。因此，有必要將電容器串聯(lián)配置以達(dá)到所需的工作電壓。根據(jù)操作條件，裂解物的壽命通常比膠片帽短得多。這是因為在鋁電解質(zhì)中，電容器的陰極是液體電解質(zhì)。陽極是鋁箔。隨著時間的推移，電解質(zhì)逐漸蒸發(fā)，降低了器件的容量。這就是為什么lytics經(jīng)常在電容上過度指定，有效延長其壽命。

等式1：計算鋁電解電容器使用壽命的公式。 （來源：Illinois電容器）

如上所述，由于液體電解質(zhì)，所有鋁電解電容器會隨著時間的推移而變干，從而失去電容并削弱性能規(guī)格。這使得從可靠的來源（例如授權(quán)分銷商）購買電容器尤其重要。當(dāng)您從非特許經(jīng)營來源購買時，您可能會購買接近或超過其日期代碼的產(chǎn)品。與雜貨產(chǎn)品一樣，“銷售日期”可確保您獲得新鮮產(chǎn)品。這些日期代碼并不總是易于解碼。特許經(jīng)營來源將保證您購買的電容器是新鮮的而不是偽造的。

金屬化薄膜電容器

雖然金屬化薄膜電容器比裂解電容器更昂貴，并且沒有那么高在許多直流鏈路電路應(yīng)用中，它們具有許多顯著的優(yōu)點。例如，它們的ESR較低且自感較低。它們可以在不損壞性能的情況下承受電涌，并具有卓越的自愈性能。與具有實際鋁箔繞組的鋁電解質(zhì)不同，金屬化薄膜蓋構(gòu)造有超薄金屬層，其已經(jīng)氣相沉積在薄膜基板的表面上。如果薄膜層之間發(fā)生短路，則層間存儲的高能量和金屬化的薄度相結(jié)合，產(chǎn)生校正閃光，使故障在小于10μS內(nèi)蒸發(fā)。這種動作如此之快，需要的能量非常小，以至于電容器的性能基本保持不變。

伊利諾伊州電容器的PHC系列是軸向引線薄膜電容器的一個很好的例子，非常適合直流鏈路應(yīng)用（圖3.）除了低ESR（在100 kHz和25?C下2.4至12.9 mW）和高最大紋波電流（在100 kHz時高達(dá)14 A），它的軸向引線設(shè)計在具有點對點的電路中也能很好地工作。點布線。

圖3：伊利諾伊電容器的PHC系列具有低ESR，高最大紋波電流和軸向引線設(shè)計，使其適合點到點布線。 （圖片由Illinois Capacitor提供）

Cornell Dubilier Electronics 947D系列采用了不同的方法（圖4）。它還專為逆變器/直流鏈路電路而設(shè)計，提供非常堅固的封裝設(shè)計，帶有螺釘端子。 ESR在100 kHz時低至0.9 mW，紋波電流額定值在62至101 A范圍內(nèi)，100 kHz。

圖4：CDE的947D該系列具有非常高的紋波電流，非常適合風(fēng)力，太陽能，燃料電池，UPS系統(tǒng)等的逆變器設(shè)計。 （圖片由Cornell Dubilier Electronics提供）

薄膜電容器的其他好處包括：

體積小于電解質(zhì)

更寬的溫度范圍

非極化

幾乎無限的保質(zhì)期和更長的使用壽命

能夠通過降容大大提高估計的使用壽命

雖然電解槽通常采用圓柱形封裝，可選擇引線，卡扣式或螺釘端接，薄膜電容器說明器有更多的選擇。這些包括圓形和盒式，端子設(shè)計用于直接安裝到特定類型的功率半導(dǎo)體器件，而其他端子使用多個引線以實現(xiàn)PCB安裝的最高可靠性。潛在的好處包括易于安裝，增加電流容量，提高機(jī)械穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性。

等式2：估算金屬化薄膜電容器壽命的公式，注意到它的壽命比經(jīng)典電解電池長得多。 7.（來源：Illinois電容器）

該公司指出，工作條件會影響薄膜電容器的壽命，其方式與鋁電解電容器非常相似。然而，與鋁電解電容相比，電壓降額對壽命的影響更大。

結(jié)論

選擇最佳電容用于功率逆變器或其他直流鏈路應(yīng)用通常開始比較所需的電容和紋波電流。確保您要比較的規(guī)格參考相同的操作標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)從半導(dǎo)體制造商的應(yīng)用電路開始時，請使用推薦的電介質(zhì)技術(shù)，因為不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能與不同的電容器技術(shù)不匹配。根據(jù)電壓和電容要求，比較預(yù)期產(chǎn)品壽命所需的最小紋波電流的成本。如果計劃使用多個電解電容來滿足電壓要求或多個薄膜電容器以滿足電容需求，請考慮所有相關(guān)成本。另請參閱物理包和終止需求的差異。