采用混合聚合物鋁電解電容器的高功率密度解決方案，適用于48V逆變器中的直流鏈路

電容器

鋁電解電容器

混合聚合物電容器

貼片電容器

軸向電容器

高能量、高可靠性和高體積效率的逆變器是車(chē)輛減排的關(guān)鍵, 而48V的元件技術(shù)是重要的基礎(chǔ)之一。優(yōu)良的直流鏈路電容器能有效降低寄生損耗并改善熱效率，從而幫助實(shí)現(xiàn)符合上述目標(biāo)的逆變器。理論上，將多個(gè)電容器并聯(lián)能增加逆變器的功率，但這樣會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相比于標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)鋁電解電容器，混合聚合物鋁電解電容器的紋波電流密度可高達(dá)5倍之多。將混合聚合物技術(shù)應(yīng)用于大尺寸的軸向電容器，能獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、散熱性能優(yōu)異且結(jié)構(gòu)緊湊的直流鏈路解決方案。這不僅能減少并聯(lián)的電容器數(shù)量，還能通過(guò)穩(wěn)定高效的散熱設(shè)計(jì)最大限度降低溫升風(fēng)險(xiǎn)。

簡(jiǎn)介

TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器的特點(diǎn)

關(guān)于等效串聯(lián)電阻(ESR)和自熱

混合聚合物系統(tǒng)

軸向電容器結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

與相關(guān)技術(shù)的ESR對(duì)比

結(jié)論

參考

簡(jiǎn)介

市場(chǎng)對(duì)48V逆變器直流鏈路中的電容柜需求是尺寸更小、功率更強(qiáng)和性能更高效。混合聚合物鋁電解電容器憑借高紋波電流密度從市場(chǎng)上諸多可用電容器技術(shù)中脫穎而出。但為了進(jìn)一步減少并聯(lián)電容器的數(shù)量，TDK將混合聚合物技術(shù)用于軸向電容器上，以實(shí)現(xiàn)更高效率和更大功率的電容器組設(shè)計(jì)。

TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器的特點(diǎn)

TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器具有以下特點(diǎn)：

- 混合聚合物系統(tǒng)
- 軸向電容器結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

關(guān)于等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和自熱

關(guān)于等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和自熱
為了正確判斷電容器設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)元件紋波電流能力的積極影響，須了解電容器內(nèi)部等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和熱阻 (Rth) 的作用。以下公式直觀描述了電容器芯子在紋波電流 (i) 作用下的溫升 (ΔT) 。

其中：

ΔT = 電容器芯子的溫升 [K]
i = 施加的紋波電流 [A]
ESR = 電容器的等效串聯(lián)電阻 [Ohm]
Rth = 熱阻 [K/W]

除了優(yōu)化元件的熱模型以降低Rth外，ESR是需要優(yōu)化的主要參數(shù)，以最大程度降低電容器在紋波電流作用下的溫升。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器而言，其ESR受圖1所示的若干因素的影響。
鑒于直流鏈路逆變器應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率 (fsw) ＞10 kHz，“ESR electrolyte, paper”和“ESR aluminium”對(duì)目標(biāo)電容器的最終ESR的影響極大，因此需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖1：ESR構(gòu)成 vs 頻率

混合聚合物系統(tǒng)

為了減少“ESR electrolyte, paper”對(duì)電容器最終ESR的影響，TDK不僅采用高導(dǎo)電率的聚合物作為陰極材料，還使用改良過(guò)的液體電解質(zhì)取代了鋁電解電容器中常用液體電解質(zhì)。圖2顯示了TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器的材料的基本截面構(gòu)造：

圖2：內(nèi)部截面

這些電容器中使用的導(dǎo)電聚合物基于PEDOT－PSS材料（見(jiàn)圖3）。其電導(dǎo)率范圍為≤1000 S/cm ，而標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)的導(dǎo)電率范圍僅為≤0.01 S/cm 。

圖3：PEDOT－PSS聚合物鏈

雖然PEDOT－PSS材料具有出色的導(dǎo)電性能，但加工起來(lái)頗具挑戰(zhàn)性，而且電容器越大，工藝就越復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)軸向型電容器的不同尺寸，TDK專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)利工藝以使其具備良好的箔材和紙材浸漬特性。正因?yàn)榇耍琓DK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器實(shí)現(xiàn)了更大的尺寸，紋波電流規(guī)格遠(yuǎn)超市場(chǎng)上現(xiàn)有其他元件。
除了導(dǎo)電聚合物，TDK在電容器中使用了同樣獲得專(zhuān)利的具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的改良性電解質(zhì)，從而能更好地保護(hù)聚合物層并在電容器使用壽命期間為氧化物提供再生特性。

軸向電容器結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢(shì)

憑借混合聚合物技術(shù)，“ESR electrolyte, paper”引起的ESR顯著降低，使得“ESR aluminium”成為電容器最終ESR占主導(dǎo)要素。后者同樣應(yīng)盡量減少以提高元件的整體紋波電流能力。
軸向電容器結(jié)構(gòu)是一個(gè)極好的平臺(tái)，可將多個(gè)連接部署到陽(yáng)極和陰極箔，從而最大限度減少單個(gè)元件的 ESR。圖4顯示了混合聚合物SMD電容器的繞組結(jié)構(gòu)和采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器之間的對(duì)比，其中指出了如何將多個(gè)連接（多個(gè)接片）應(yīng)用于軸向繞組：

圖4：繞組結(jié)構(gòu)：多個(gè)與單個(gè)接片

軸向電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是元件的熱性能。由于繞組元件與鋁制外殼使用金屬連接，能更有效地將內(nèi)部熱量傳遞到電容器外殼的外部散熱片上。另外，憑借穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器還具有良好的內(nèi)部振動(dòng)穩(wěn)定性。牢牢固定電容器外殼后，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部抗振動(dòng)性能高達(dá) 60 g。

圖5：散熱片冷卻示意圖

與相關(guān)技術(shù)的ESR對(duì)比

為了驗(yàn)證混合聚合物軸向電容器的 ESR 性能，我們將其和候選的3種電容器 [1、2、3] 分別安裝到直流鏈路中，并測(cè)量它們的ESR以進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖 6 所示。對(duì)比結(jié)果證明，軸向混合聚合物電容器的ESR 性能明顯更優(yōu)。

圖6：不同技術(shù)之間的ESR對(duì)比

結(jié)論

軸向混合聚合物電容器主要面向具有高功率等級(jí)（比如15 kW 及以上）要求的 48 V 逆變器。在這類(lèi)應(yīng)用中，其直流鏈路電容器組連續(xù)工作時(shí)的 RMS 紋波電流可高達(dá) 150 Arms ，并且在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到300 Arms。
一直以來(lái)，此類(lèi)應(yīng)用的直流鏈路電容器組通常采用液體冷卻系統(tǒng)，以解決電容器因大紋波電流而產(chǎn)生的快速自熱。采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器憑借出色的熱特性和較低的ESR值，可大幅減少直流鏈路電容器組所需的元件數(shù)量，非常適合此類(lèi)應(yīng)用。
設(shè)計(jì)這種電容器組時(shí)，必須考慮以下可能影響電容器組尺寸的因素：

其一是開(kāi)關(guān)頻率。TDK 采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器的額定開(kāi)關(guān)頻率為 20 kHz，而其他技術(shù)的電容器則在不同的頻率范圍內(nèi)具有不同的紋波電流能力，比如：SMD 混合聚合物電容器的額定開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz，而標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器通常規(guī)定的開(kāi)關(guān)頻率則為＞ 10 kHz。
其二是使用壽命。軸向混合聚合物電解電容器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，通常比標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器和SMD混合聚合物電容器能更長(zhǎng)時(shí)間耐受更高的內(nèi)部溫度。而長(zhǎng)時(shí)間耐受更高內(nèi)部溫度的能力則意味著具有更好的紋波電流處理能力。
我們以4000 小時(shí)使用壽命和125°C的外殼溫度為參考條件，制作了圖 7 所示的對(duì)比圖表：結(jié)果清晰顯示，采用混合聚合物技術(shù)的 TDK 軸向電容器能夠減少直流鏈路電容器組中的元件數(shù)量。

圖7：不同技術(shù)所需的直流鏈路元件數(shù)量

參考

	軸向混合聚合物電容器	SMD混合聚合物電容器	軸向電解電容器
系列	B40640 / B40740系列	B40940系列	B41687 / B41787系列

審核編輯：彭菁