电动交通工具功率电容的发展

作者：AVX功率膜电容市场经理Gilles Terzulli

电动交通工具的使用非常广泛。例如：由于人们对环境保护的关注，以及油价飞涨的应对，混合动力轿车现在在路上已经很常见。另外，我们每时每刻也在使用着许多其它形式的商业的或公共的电动交通工具，如：电力机车、有轨电车、公交车、卡车和铁道车辆等。使如此广泛的电动交通工具得以实现的电系统和系统中的元器件经历了显著的发展，系统中的直流支撑电容的发展也包括其中。

电动交通工具中电容器使用的目的是防止纹波电流回馈到电源，并且平滑直流母线电压的变化。电容也被用于保护功率半导体——较初的晶闸管，现在的IGBT。

现在，金属化膜已经成为电动交通工具和其它中功率、大功率应用中选择的电容器技术。几个方面的原因促成了这个结果。

一个主要的优点是膜电容能够克服内部电击穿。用于直流支撑电容的电介质膜镀上了一层非常薄的金属层，如果出现电击穿，金属层发热蒸发，将电击穿的区域隔离，使电容有效地自愈。同时，膜表面的整个金属层在设计时被划分为很多小的单元（有时达到几百万个），单元之间有等效的熔丝连接保护。如果出现电击穿，出现电击穿的单元由于等效熔丝的熔断被隔离。

由于内部的有效保护，局部的电击穿不会导致电容的完全失效和短路，只会造成电容容值的减少。减少的容值由单元面积和金属层总面积的比率决定，同时，容值的减少能够用于电容寿命的检测。

符合CEI 1071标准的金属化膜电容能够承受较大两倍于额定电压的浪涌电压，而不会对电容寿命有明显的影响。这意味着在系统设计时，设计人员只需要考虑标称电压的要求。

在需要高有效值电流承受能力时，与其它种类的电容（如：铝电解电容）相比，金属化膜电容能够有效地缩小体积。

例如AVX为汽车应用开发的金属化膜电容。现在，基于圆柱形或扁平形电容卷的组合，公司提供一系列的金属化膜电容。这种方法有几个好处，第一，电容的外形能够被优化以满足实际的安装空间，因而系统的设计更加紧凑。其次，电容卷组是电流、电感平衡的，在－55 到＋125摄氏度的温度范围内，电容扩展没有问题。另外，在过程控制和自动化生产线下生产的电容卷，能够保证质量和控制成本。

下面的应用讨论了一些关于金属化膜电容在电动交通工具中使用的设计考虑。

图1. FFLB金属化膜电容

直流支撑：大电流和容值设计

在电动轿车或电叉车应用中，能量由电池提供，电容被用于退耦。在这种情况下，由于对电容的主要要求是有效值电流的承受能力，因而膜电容特别适合这种情况。

以下面典型的电动轿车参数为例：

工作电压：120Vdc

允许的纹波电压：4Vrms

有效值电流（Irms）：在20kHz下，80Arms

从下面的等式我们可以得到较小的容值：

C = Irms/(Uripple x 2πf） = 159µF

如果使用电解电容，我们需要考虑1µF容值能承受20mA的电流，在本例中，为了承受80Arms的电流，较小容值为：

C = 80/0.02 = 4000µF

而使用金属化膜电容，由于其显著的大电流能力，可以使用比电解小得多的容值，节约了成本，缩小了体积。

过压

考虑轻型牵引，如：地铁，电车，直流母线电压波形如图1所示。

图2. 直流母线电压波形

在这样的应用中，能量从电缆传输到地铁或电车时，传输可能会发生中断。在再次连接之前，能量会从直流支撑电容中流出，电压降低，一旦连接再次建立，过压出现。更糟的情况，电压的变化可能达到两倍的电缆电压，导致几乎两倍额定电压的过压。而金属化膜电容能够承受这种过压。

如使用电解电容实现上述功能，为了耐受2000V的浪涌电压，电解电容的数量将在1000V额定电压的基础上增加一倍，所占体积也随之增大一倍。

功率半导体的保护

第一代的电动交通工具使用晶闸管技术，现在的许多应用已基于IGBT。随着功率半导体技术的发展，直流支撑电容从电气、机械方面也得到与之相适应的发展，从而提供较低的寄生电感。AVX的膜电容系列提供了与晶闸管和IGBT理想的结合。

作为一个成功的例子，AVX提供的功率膜电容为刷新轮轨列车速度的世界记录提供了帮助。在2007年4月，法国产的19.6MW特殊轮轨列车TGV达到了574.8公里/小时的速度，超越了1990年创下的515.3公里/小时的记录。

在TGV中使用的大功率膜电容属于AVX  Trafim™系列，具有体积小，重量轻的特点，它们是3mF，1890Vdc（DKTFM546）；2.5mF，2630 Vdc（DKTFM603）；1.67mF，4000Vdc（DKTFM537），以及1mF，4000Vdc（DKTFM538）。

图2. AVX  Trafim™系列

金属化膜电容在运用现场展示了异常的可靠性。在AVX的经验中，迄今为止，公司为客户生产的超过150,000只的大功率电容器从未出现过恶性失效。这些电容器在各种严苛的应用中的运行时间累计超过了30亿小时。

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