卢明书，牛 犇，尚 锋，赵东槐

（山东朗进科技股份有限公司，山东 莱芜 271100）

随着全球环境问题和能源危机的不断凸显，世界各国都在积极采取措施以实现经济、社会的良性发展。汽车作为石油消耗和二氧化碳排放的大户，需要进行革命性的变革，因此发展新能源电动汽车已经成为世界各国的共识，随着国家政策的大力扶持，各城市在持续推进新能源电动汽车产业的发展。

传统空调由于启动电流大和输入电压低等缺点不能适用于电动汽车，因此必须配置电动变频空调来满足新能源汽车的电池供电要求。DC－Link电容器作为新能源电动空调中的关键器件，一般要求大容量、承受大纹波电流以及高电压等特性，传统的电解电容已经不适合高电压、大纹波电流的应用。随着金属化蒸镀技术以及薄膜电容器技术的发展，通过薄膜电容器的相关运用分析，在额定工作电压高、承受高纹波电流、有过电压要求、有电压反向应用、有高冲击电流 （di／dt）以及长寿命要求的电路设计中，选择薄膜电容器是设计者的首选方案，如何进行薄膜电容器的选型及应用成为更多工程师的关注点。

1 薄膜电容器替代电解电容器分析

在新能源电动变频空调系统中，直流电直接向变频器供电，直流电源和变频器之间需要DC－Link电容器做支撑，变频器既从DC－Link获得峰值较高的脉冲电流又在DC－Link上产生较高的脉冲电压，必须选择合适的DC－Link电容器来吸收脉冲电压，使直流母线上的电压波动保持在允许范围，也防止变频器受到输入电压过冲和瞬时过电压的影响。

DC－Link电容器在新能源电动空调中的应用如图1所示。图1中额定输入电压为DC600V，电压波动范围DC400～800V，如采用额定电压DC400V的电解电容，需要3只串联使用，由于每个电解电容器的绝缘电阻存在一定的差异，因此电解电容器串联需要可靠的电压均衡技术，否则所串联的电容器的单体电压就会不平衡，甚至损坏电容器。另外电解电容器作为有极性的电气部件，当施加反向电压超过1．5倍额定电压且施加时间超过电容器的耐受时间，则电解电容器会损坏或发生爆炸。电解电容器的电容量随温度变化而变化，随着使用温度的升高，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增大，可能会出现击穿或电参数恶化等现象，严重时电解电容器的寿命也就终止了［1］。电解电容器使用在环境温度0℃至高温限值时，其电容量增加一般不超过10%，当使用环境温度在0℃以下时，由于电解液的原因，导致电容量显著减小，对于最低温度－40℃，有的电解电容器的电容量甚至下降到40%。并且电解电容长期不使用后，电解液易蒸发易泄漏，也会导致容量的缩小。

图1 DC-Link电容器应用

图1 中不需要整流电路，该位置电容器的平滑作用不再具有意义，主要用作直流母线电压的支撑、吸收直流母线的交流电流分量，因此不再需要极大的电容量，而是需要适当的电容量和优异的性能吸收高频纹波电流，抑制高频纹波电流对直流母线的影响，薄膜电容器是最理想的选择，选用薄膜电容器的电容量仅是电解电容的1／3甚至更低。而且薄膜电容器的电容量随温度变化不大，其电容量主要由介质膜的温度特性决定，例如聚丙烯膜作为介质膜，其介电系数随温度变化范围 （－40～+85℃）的变化量接近4%，制成薄膜电容器的电容量精度可达到5%。

相比电解电容器，薄膜电容器具有很长的寿命期望，其寿命的长短主要由工作电压与电容器内部的热点温度决定。在工作电压为额定电压、热点温度为70℃的情况下，寿命结束以电容值减小15%为标准，薄膜电容器设计寿命可长达100 kh。如果在实际应用中允许电容量减小20%，则薄膜电容器的寿命将得到显著增加［1］。相比电解电容器，薄膜电容器具有更强的短时过电压能力，承受1．5倍额定电压，可持续时间一般为10 s～2 min，且薄膜电容器具有“自愈”的特性可延长使用寿命。

通过以上分析，在直流高电压条件下，薄膜电容器是比电解电容器更理想的选择，薄膜电容器以金属箔片 （或者是在塑料上进行金属化处理而得的箔片）作为电极板，以塑料作为电介质，通过绕卷或层叠工艺而得，同体积的薄膜电容器比电解电容器可承受更高的工作电压。当选取小容量的电容器时，在相同体积的前提下，电解电容器的容量远大于薄膜电容器的容量。

2 设计选型

根据电路设计要求，薄膜电容器的选型主要考虑额定电压、电容量、纹波电流等参数。

2.1 额定电压选择

薄膜电容器通常有一个瞬时过电压能力，一般为其额定电压的1．2～1．5倍，持续时间为10 s～2 min，持续的过电压时间越长，说明该薄膜电容的过电压能力越强。

当变频空调正常工作时，由于DC600V存在过电压的情况，为提高薄膜电容器的使用寿命，一般选取1．2倍的最高电压作为薄膜电容器额定电压的选型依据。

2.2 电容量计算

分析DC－Link电容器的工作过程，在一个PWM周期内，开关器件导通时，由输入直流电源和DC－Link电容器同时为变频器提供能量；开关管关断时，输入直流电源便向DCLink电容充电，一个工作周期结束。

设输入直流电源输出的最大功率为P0，DC－Link电容假设为理想电容，则在一个开关周期内，输入直流电源提供的能量为：

式中：η——变频器的效率；fs——载波频率。

根据电容器两端的纹波电压，计算出一个开关周期内电容器所释放的能量：

式中：U——直流母线电压，计算时采用直流母线电压最小值；Δu——母线纹波电压。

2.3 纹波电流计算

纹波电流是指流经DC－Link电容器的交流电流，主要是变频器三相输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流叠加而成的，其中流过DC－Link电容器的纹波电流有效值可用公式 （4）计算。

式中：Iacrms——流过DC－Link电容器的纹波电流有效值；Iorms——变频器输出侧总电流有效值；m——调制比；φ——相位角。

3 计算实例

3.1 输入条件

输入额定电压DC600V，电压波动范围DC400V～DC800V；输入功率15 kW；效率90%；开关频率5 kHz；纹波系数5%；变频器输出侧总电流30 A。

3.2 计算过程

1）额定电压

需要选择额定电压大于DC960V的薄膜电容器，根据车辆供电实测经验数据，本文选取额定电压DC1200V的薄膜电容器。

如果采用电解电容器，则需要采用3只耐压DC400V或DC450V的电解电容器串联。

2）电容量

根据公式 （3）得出：

本文选取电容量为70 μF的薄膜电容器。

3）纹波电流

设cosφ=0．85，m=0．65，根据公式 （4） 得出：

根据薄膜电容器的规格书，70 μF的薄膜电容器工作在1 200 V下可承受60 A的纹波电流，满足设计要求。

如果采用电解电容器，则需要电容量为C=18 A／0．02 μF=900 μF （按照20 mA／μF计算），考虑到电解电容的额定电压，则需要9只1 000 μF电解电容器 （每组电容器有3个电解电容器串联，需3组电解电容器并联）。

4）实际选型

考虑到薄膜电容器放置在密闭的电控箱内，空调正常工作时电控箱内的温度达到50℃，为提高电容的使用寿命，将薄膜电容器额定电流提高到纹波电流有效值的2倍，选取1只电容量为70 μF、额定电流为60 A的薄膜电容使用，电压电容量纹波电流满足计算要求。

4 试验验证

4.1 纹波电压测试

如图2所示，纹波电压测试峰峰值为36 V，则纹波系数测试值如下：

实际测试结果满足纹波系数5%的要求。

图2 纹波电压测试

4.2 纹波电流测试

图3 为未增加DC-Link电容器前测试直流母线纹波电流，有效值为21.6 A，电流峰峰值为71.5 A；图4为增加DC-Link电容后测试直流母线纹波电流，有效值为22.5 A，电流峰峰值为14.2 A，说明绝大部分纹波电流流经薄膜电容器，减小了线缆发热量，同时提高变频器运行的可靠性。

图3 纹波电流测试 （无DC-Link电容器）

图4 纹波电流测试 （有DC-Link电容器）

4.3 温升测试对比

1）薄膜电容器 环境温度45℃，空调机组4 h运行，薄膜电容器表面为60℃，温升仅15 K。

2）电解电容器 环境温度45℃，空调机组4 h运行，电解电容器表面温度为80℃，温升35 K。

因此，薄膜电容器相比电解电容器表面温升更小，寿命更长。

5 行业应用前景

作为直流支撑滤波电容，由于电解电容器受到额定电压、纹波电流承受能力、电容量等因素的影响，需要用多个电解电容器进行串并联设计才能满足高电压和大容量使用场合，同时需要考虑电解电容器的额定电压、电容量、纹波电流、温升、散热、寿命等因素。

随着薄膜电容器技术的发展，和电解电容相比较，相同体积下可以设计生产额定电压1 000 V甚至更高电压的大容量薄膜电容器，体积的减小使得相应成本随之大幅度下降。同时，薄膜电容器具有可以承受高纹波电流、过电压、电压反向应用、高冲击电流的特性，在更多的应用场合可以替代电解电容器。

在新能源及新能源汽车领域中，对于薄膜电容器业而言，对新能源控制系统、电源管理系统、电源逆变及直流交流切换系统的相关上游企业来讲是一次难得的历史性机遇，同时给不可或缺的电容器行业也带来了一次难得的发展机遇。

6 结束语

随着技术的不断进步以及国家新能源政策的推广，纯电动变频空调成为新能源汽车应用的必然趋势，电动变频空调的变频调速系统选择薄膜电容器作为DC-Link电容器将成为电气工程师设计选择的最佳方案。