隨著工業(yè)的快速發(fā)展、人口的增長(zhǎng)和人民生活水平的提高，能源短缺已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題，能源安全問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。隨著“汽車(chē)社會(huì)”的逐步形成，汽車(chē)保有量不斷上升。全球汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展面臨著能源和環(huán)保的雙重壓力。為了在未來(lái)的世界汽車(chē)工業(yè)中占有一席之地，各國(guó)紛紛推出自己的新能源汽車(chē)規(guī)劃藍(lán)圖，大力發(fā)展新能源汽車(chē)。

新能源汽車(chē)是指以非常規(guī)車(chē)用燃料為動(dòng)力源的汽車(chē)。新能源汽車(chē)包括混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)、其他新能源（如高效儲(chǔ)能裝置、二甲醚）汽車(chē)等各類(lèi)產(chǎn)品。

電機(jī)、電池和電機(jī)控制技術(shù)是新能源汽車(chē)的三大核心。電機(jī)控制技術(shù)的核心是高效電機(jī)控制的逆變技術(shù)。高效電機(jī)控制的逆變技術(shù)需要一個(gè)強(qiáng)大的IGBT模塊和一個(gè)匹配的直流支持電容。

薄膜電容的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

早期直流支撐薄膜電容都是采用電解電容，隨著薄膜電容技術(shù)的發(fā)展，特別是基膜本身技術(shù)的發(fā)發(fā)展和金屬化采用分割的技術(shù)出現(xiàn)，不僅使得薄膜電容的體積在越做越小的同時(shí)，產(chǎn)品的耐壓水平還保持在相當(dāng)?shù)乃剑F(xiàn)在越來(lái)越多的公司采用高溫聚丙烯薄膜電容器的作為直流支撐電容，一個(gè)典型的例子就是豐田公司的PRIUS車(chē)型的改進(jìn)；而國(guó)內(nèi)車(chē)企典型代表是比亞迪F3DM和E6，都使

用薄膜電容器作為直流支撐電容。第一代豐田Prius使用的濾波電容器是電解電容器，見(jiàn)圖2；從第二代開(kāi)始，便開(kāi)始使用薄膜濾波電容器組。

目前用于直流支撐的薄膜電容器，大部分是使用高溫聚丙烯膜作為介質(zhì)，聚丙烯薄膜電容器有如下的優(yōu)點(diǎn)。

a.產(chǎn)品安全性好，耐過(guò)壓能力強(qiáng)

由于薄膜電容器具有自愈額現(xiàn)象，而且薄膜電容的設(shè)計(jì)是按照IEC61071的標(biāo)準(zhǔn)，電容抗浪涌電壓能力大于1.5的額定電壓，加上電容采用分割膜技術(shù)，見(jiàn)圖4，電容理論上不會(huì)產(chǎn)生短路擊穿的現(xiàn)象，這大大提高了這類(lèi)電容的安全性，典型的失效模式是開(kāi)路。在特定應(yīng)用中電容的抗峰值電壓能力也是考察電容的重要指標(biāo)。實(shí)際上，對(duì)電解電容而言，允許承受的最大浪涌電壓是1.2倍，這種情況迫使使用者不得不考慮峰值電壓而非標(biāo)稱(chēng)電壓。

b.良好的溫度特性

產(chǎn)品溫度使用范圍廣，可以從-40℃-105℃

直流支撐薄膜電容器采用的高溫聚丙烯薄膜，具有聚酯薄膜和電解電容沒(méi)有的溫度穩(wěn)定性，具體如下圖5，圖6。

從中可以看出，隨著溫度的升高，聚丙烯膜電容器容量總體是下降的，但下降的比例是很小的，大概是300PPM/℃；而聚酯膜不管是在高溫階段還是在低溫階段，容量隨溫度變化則大了很多，為+200 ~ +600PPM/℃。

從可以看出，聚丙烯膜介質(zhì)電容器的損耗隨溫度變化基本不變的，但聚酯膜介質(zhì)電容器在低溫和高溫顯示變化規(guī)律是不一樣的。

由于聚丙烯膜介質(zhì)電容器具有良好的溫度特性，不管是在低溫(比如說(shuō)中國(guó)北方)或者高溫地區(qū)(比如說(shuō)沙漠地區(qū))都可以得到正常的使用，但對(duì)于電解電容器來(lái)說(shuō)，如果在低溫地區(qū)，由于電解液的存在，電解液可能會(huì)凝固，電容的性能在低溫的時(shí)候，性能發(fā)生較大的變化，可能導(dǎo)致電機(jī)控制器不能正常使用。

c.頻率特性穩(wěn)定，產(chǎn)品高頻特性好

目前大部分的控制器開(kāi)關(guān)頻率在約10KHZ，這就要求產(chǎn)品的高頻性能好，對(duì)于電解電容器和聚酯膜電容器來(lái)說(shuō)，這個(gè)要求是個(gè)難題。具體見(jiàn)圖7，圖8。

可以看出，隨著頻率的升高，聚酯膜介質(zhì)電容器的所測(cè)容量是隨著頻率的上升是逐步減少的，但聚丙烯膜介質(zhì)電容器則基本不變。

可以看出，隨著頻率的上升，聚酯薄膜介質(zhì)電容器的損耗急劇加大，但聚丙烯介質(zhì)電容器基本不變。

d.沒(méi)有極性，能承受反向電壓

薄膜電容器的電極是蒸鍍?cè)诒∧ど霞{米級(jí)的金屬，產(chǎn)品是沒(méi)有極性的，故對(duì)使用者來(lái)說(shuō)非常方便，不需要考慮正負(fù)極的問(wèn)題；而對(duì)電解電容器來(lái)說(shuō)，如果超過(guò)1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時(shí)，會(huì)引起電容內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。如果這種電壓持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，電容會(huì)發(fā)生爆炸，或者隨著電容內(nèi)部壓力的釋放電解液會(huì)流出。

e.額定電壓高，不需要串聯(lián)和平衡電阻

為了提高輸出功率，混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的母線(xiàn)電壓有不斷提高的趨勢(shì)。現(xiàn)在市場(chǎng)上給電機(jī)提供的電池電壓典型值有280V，330V及480V，與之匹配的電容不同廠(chǎng)家不太一樣，但大體是會(huì)選擇比如450V，600V，800V，容量從0.32mF到2mF，而電解電容器的額定電壓不高于500V，所以當(dāng)母線(xiàn)電壓高于500V時(shí)，系統(tǒng)只能通過(guò)串聯(lián)電解電容器來(lái)提高電容器組的耐壓水平。這樣，不僅增加了電容器組的體積、成本，也增加了電路中的電感和ESR。

f.低ESR，通過(guò)耐紋波電流能力強(qiáng)

薄膜電容器大于200mA/μF，電解電容通過(guò)紋波電流能力為20mA/μF，這個(gè)特點(diǎn)能大大減小系統(tǒng)中所需要的電容器的容量。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家比如廈門(mén)法拉主推的產(chǎn)品目前0.4-0.5mΩ，最大紋波電流值從幾十安培到幾百安培不等。

g.低ESL

逆變器的低電感設(shè)計(jì)要求其主要元件DC-Link電容器要有極其低的電感。高性能DC-Link直流濾波薄膜電容器通過(guò)把母線(xiàn)整合到電容器模塊里，使它的自感降到最低(<30nH)，大大減小了在必要開(kāi)關(guān)頻率下的震蕩效應(yīng)。因此，并聯(lián)在DC-Link電容器上的吸收電容經(jīng)常被省略掉，電容器電極直接接到IGBT上。

h.抗浪涌電流能力強(qiáng)

能夠承受瞬間的大電流，采用波浪分切的技術(shù)和電容鍍膜加厚邊技術(shù)，可以提高產(chǎn)品浪涌電流溫度和機(jī)械沖擊的能力。

i.使用壽命長(zhǎng)

薄膜不易老化的特性決定了薄膜電容器有很長(zhǎng)的壽命，特別在額定電壓和額定使用溫度下，使用壽命大于15000小時(shí)；如果按平均30Km/H，則在壽命期可以有450000Km，電容的壽命對(duì)于汽車(chē)的行駛里程是足夠的。

薄膜電容的選擇

為了達(dá)到節(jié)能的目的，提高電機(jī)的效率，減少線(xiàn)損，就必須把系統(tǒng)電壓提高(見(jiàn)公式一)，電壓提高后，可以降低通過(guò)回路的電流，由于電流可以比較低，線(xiàn)損就會(huì)比較低。

目前系統(tǒng)電壓范圍從100多伏到300多伏，有些公司用于大功率驅(qū)動(dòng)的達(dá)到400多伏，由于控制電路自感及其在汽車(chē)在不同工況下使用的緣故，大多公司選用是額定電壓450V以上的電容。

根據(jù)電機(jī)功率的不同，目前有不同的IGBT模塊可以使用，同樣對(duì)于直流支撐電容器，不同的廠(chǎng)家也推出了不同的產(chǎn)品，主流薄膜電容器廠(chǎng)商比如廈門(mén)法拉和EP公司都推出了不容容量和結(jié)構(gòu)的電容可供選擇。選擇時(shí)主要考慮額定容量、允許容量的偏差、額定電壓、最大電壓、電池電壓的波動(dòng)范圍、開(kāi)關(guān)頻率、紋波電流有效值、最大峰值電流、相間續(xù)流電流大小、電機(jī)額定功率、峰值功率、環(huán)境溫度、最高工作溫度、最高工作海拔、散熱方式和壽命要求等指標(biāo)。

應(yīng)用分析

4.1 紋波電壓產(chǎn)生的原因

IGBT工作的時(shí)候，電路兩端負(fù)載發(fā)生變化，母線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生紋波電流。如果沒(méi)有C3電容器，那么電流將全部流經(jīng)電池組，導(dǎo)致Ur產(chǎn)生波動(dòng)(Ur=Iripple×r)，U=U1+Ur，所以U兩端將產(chǎn)生較大的紋波電壓，影響IGBT的正常工作。

4.2 電容器組的作用

如果在母線(xiàn)兩端并上電容器組，當(dāng)ESR+1/ωC<<r時(shí)，母線(xiàn)上的紋波電流將大部分流過(guò)電容器組，這樣就大大降低了母線(xiàn)上的電壓波動(dòng)，有利于IGBT的正常運(yùn)行。

4.3 電容器的選擇

要使ESR+1/ωC<<r，ωC要足夠大。當(dāng)ω較小時(shí)，即IGBT開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下，電容器組的容量需要足夠大，這時(shí)薄膜電容器就沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。在IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高的情況下，電容器組需要的容量大大下降，這時(shí)電容器本身的耐電流能力就成為元件選擇的主要考慮因素，薄膜電容器的優(yōu)勢(shì)也就顯示出來(lái)了。

工程應(yīng)用上，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到系統(tǒng)需要的最小電容器容值。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)前已知了電路中的最大允許紋波電壓和紋波電流的有效值。那么，系統(tǒng)中需要的最小容值可以通過(guò)下面的公式計(jì)算：

由于系統(tǒng)中的濾波電流相對(duì)較大，而電解電容又有0.02A/μF的濾波電流限制，所以在開(kāi)關(guān)頻率較高的逆變器中一般不按最小容值選擇電解電容器，而是按下面公式選擇電解電容器的容值：

下面以某電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是30KW的純電動(dòng)車(chē)型舉例說(shuō)明，驅(qū)動(dòng)器上的參數(shù)為：Vw=336V；　Uripple=4V；Irms=100A@10KHz。需要的最小容值為：

這個(gè)容量的薄膜電容器很容易找到。如果選用電解電容器，則需要的容量是：

由此可以得出，開(kāi)關(guān)頻率較高的逆變器中使用薄膜電容器可以大大減小應(yīng)用中所需要的容值。

總結(jié)

高性能直流環(huán)節(jié)薄膜電容器是采用新型制造技術(shù)和金屬化薄膜技術(shù)的電容器。它增加了傳統(tǒng)薄膜電容器的能量密度，即電容器的體積也隨之縮小。另一方面，通過(guò)電容器芯與總線(xiàn)的集成，可以滿(mǎn)足用戶(hù)靈活的尺寸要求。它不僅使整個(gè)逆變模塊更加緊湊，而且大大降低了應(yīng)用電路中的雜散電感，使電路性能更加優(yōu)越。電動(dòng)汽車(chē)電路設(shè)計(jì)具有高電壓、高有效值電流、過(guò)電壓、反向電壓、峰值電流和長(zhǎng)壽命的要求。薄膜電容器無(wú)疑是電動(dòng)汽車(chē)作為直流支持電容器的最佳選擇。