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，從而幫助實現(xiàn)符合上述目標(biāo)的逆變器。理論上，將多個電容器并聯(lián)能增加逆變器的功率，但這樣會增加系統(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，還能通過穩(wěn)定高效的散熱設(shè)計最大限度降低溫升風(fēng)險。

簡介

TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器的特點

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)本身的獨特優(yōu)勢

與相關(guān)技術(shù)的ESR對比

結(jié)論

參考

簡介

市場對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，以實現(xiàn)更高效率和更大功率的電容器組設(shè)計。

TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器的特點

TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器具有以下特點：

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

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)計特點對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)用的開關(guān)頻率 (fsw) ＞10 kHz，“ESR electrolyte, paper”和“ESR aluminium”對目標(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，但加工起來頗具挑戰(zhàn)性，而且電容器越大，工藝就越復(fù)雜。為了實現(xiàn)軸向型電容器的不同尺寸，TDK專門開發(fā)了一種專利工藝以使其具備良好的箔材和紙材浸漬特性。正因為此，TDK采用混合聚合物技術(shù)的軸向電容器實現(xiàn)了更大的尺寸，紋波電流規(guī)格遠(yuǎn)超市場上現(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

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)是一個極好的平臺，可將多個連接部署到陽極和陰極箔，從而最大限度減少單個元件的 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比，其中指出了如何將多個連接（多個接片）應(yīng)用于軸向繞組：

圖4：繞組結(jié)構(gòu)：多個與單個接片

軸向電容器的另一個優(yōu)點是元件的熱性能。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對比

為了驗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，并測量它們的ESR以進(jìn)行對比，結(jié)果如圖 6 所示。對比結(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（比如15 kW 及以上）要求的 48 V 逆變器。在這類應(yīng)用中，其直流鏈路電容器組連續(xù)工作時的 RMS 紋波電流可高達(dá) 150 Arms ，并且在短時間內(nèi)可以達(dá)到300 Arms。
一直以來，此類應(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，非常適合此類應(yīng)用。
設(shè)計這種電容器組時，必須考慮以下可能影響電容器組尺寸的因素：

其一是開關(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時間耐受更高的內(nèi)部溫度。而長時間耐受更高內(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