作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

太陽能電池板和電動汽車 (EV) 的使用在持續增加。他們的電源系統依賴于 DC/DC 轉換器和 DC/AC 逆變器，需要電容器來降低低頻紋波、過濾導致電磁干擾 (EMI) 的高頻成分，并吸收瞬態負載電流，以防止這些因素影響電源一次側。這類電源應用的電容器必須可靠、緊湊、輕便、壽命長，并具有良好的高頻性能。

雖然薄膜電容器非常適合這些電源應用，但設計人員必須了解其結構和特性，做出正確選擇。

本文將簡要介紹薄膜電容器。然后，以 [Eaton-Electronics Division] 的產品為例，討論如何為電源應用選擇和使用薄膜電容器。

薄膜電容器

與所有電容器一樣，薄膜電容器包括兩塊導電板，中間由一層塑料薄膜組成的絕緣介質隔開，塑料薄膜通常由聚丙烯制成，是一種低損耗、高強度介質（圖 1）。導電板是薄金屬箔或沉積在電介質上的薄金屬層。將金屬箔和薄膜纏繞在芯軸上，連接引線，然后將電容器封裝在塑料外殼中并用環氧樹脂密封，以保護電容器不受環境影響。

圖 1：薄膜電容器由包含交替的金屬層和電介質層的卷繞芯軸組成，密封在保護性塑料外殼中。（圖片來源：Eaton-Electronics Division，由 Art Pini 修改）

雖然薄膜電容器的能量密度相對較低，但卻具有高電容密度和其他一些特性。首先，薄膜電容器無極性，AC 和 DC 電路都適用。與使用液態或半液態電解質的電容器相比，薄膜電容器的干式固態電介質的可靠性更高，而且電容值穩定，溫度穩定性極佳。較低的等效串聯電感 (ESL) 和等效串聯電阻 (ESR) 確保高效處理高紋波電流，使薄膜電容器非常適合高頻應用。薄膜電容器最大的特點可能是其自愈能力。如果發生介電擊穿，就會產生一個局部熱點，使鄰近的金屬蒸發后形成一個不導電的孔，但電容器仍能正常工作，從而延長使用壽命。

薄膜電容器

薄膜電容器專為特定應用而設計，常見類型包括安全、DC 鏈路、AC 濾波器和脈沖。安全薄膜電容器用于減弱 AC 線路濾波應用中的傳導輻射。許多國際安全標準都規定了傳導 EMI 要求。考慮一下為電動汽車配備一個通過線路供電的 DC 充電器。在 DC 快速充電站中，通過電容器進行共模和差模 EMI 濾波，可為噪聲信號提供一條低阻抗路徑進行分流，同時實現最低功率耗散。

EMI 抑制通過線路濾波器實現，這種線路濾波器包括電源線和開關電源之間的薄膜電容器（圖 2）。

圖 2：安全薄膜電容器 CX 和 CY 集成到線路濾波器中，防止 EMI 傳播到電源線上。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

標有 CX 的電容器線對線放置的，可減少差模 EMI。CY 電容器從每條線路連接至地，可減少共模 EMI。

DC 鏈路電容器是 AC 級之間 DC 電路中的平滑濾波器。例如，在電機驅動電路的整流器和逆變器級之間的 DC 母線上安裝一個電感器電容器 (L-C) 濾波器（圖 3）。

圖 3：所示為 DC 鏈路薄膜電容器，用于電機驅動電路整流器和逆變器級之間的 L-C 濾波器。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

除電機驅動器外，這些電容器還經常用于 AC 輸入和 AC 輸出具有不同電壓水平的電源變頻器和其他大功率充電電路中。例如，考慮太陽能發電系統中的分布式逆變器，它使用了 DC 鏈路薄膜電容器來減少級間噪聲和瞬態（圖 4）。

圖 4：DC 鏈路薄膜電容器可抑制太陽能發電系統升壓轉換器和逆變器之間的噪聲和瞬態。(圖片來源：Eaton-Electronics Division）

薄膜電容器可減少 Vlink 線路向控制電路反饋信息時產生的雜散信號，從而提高性能。

AC 濾波電容器有助于消除三相 AC 電源等應用中不必要的諧波頻率（圖 5）。

圖 5：所示為用于對三相電源進行濾波的 AC 濾波電容器。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

薄膜脈沖電容器設計用于保護敏感元件不受高 dV/dt 電壓變化的影響。這類電容器用于脈沖電子和功率逆變器應用。專為高能量密度而設計，這類電容器可在諧振腔功率轉換器等電路中實現快速脈沖功率輸出（圖 6）。

圖 6：脈沖薄膜電容器形成一個諧振腔電路，可根據電源轉換器的開關頻率進行調節，消除變壓器次級中的諧波。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

諧振腔電路可顯著提高“電感器-電感器-電容器 (LLC)”功率轉換器的效率。脈沖電容器用于根據電源轉換器的開關頻率調節諧振腔電路。諧振腔可消除變壓器次級的諧波。此外，諧振腔還能實現功率轉換器開關的軟開關，從而降低損耗并提高效率。

薄膜電容器的結構

每種薄膜電容器的特性都取決于所使用的材料和薄膜層的幾何形狀。例如，Eaton-Electronics Division 的 [EFACA25J155D032LH] AC 濾波電容器是一種 1.5 microfarad (mF) ±5% 電容器，最大額定電壓為 250 V。該器件通過了 AEC-Q200 汽車應用認證并獲得 THB IIIB 級防潮認證。

薄膜電容器由金屬化電介質層交替疊加形成。對于額定電壓最低的電容器（180VAC 至 300 VAC ），交替層分別連接至單獨的引線。多層并聯會增加總電容，而兩層或多層串聯會增大額定電壓（圖 7）。

圖 7：串聯多個電容器可提高薄膜電容器的額定電壓。(圖片來源：Eaton-Electronics Division，由 Art Pini 修改）

引線連接至分離金屬層的每一側，以獲得更高的額定電壓（350 VAC 至 500 V AC） 。相鄰層具有與引線隔離的單層金屬化薄膜，并用作公共電容器板，從而形成兩個串聯電容器。這種結構提高了二者擊穿電壓，同時降小了電容。通過并聯多個電容對，可以增大電容。

600 VAC 至 760 VAC 額定電容器采用相同的隔離式分體結構原理，在每組堆疊層對中形成三個串聯電容器。

脈沖電容器的應用和結構

脈沖電容器專為高 dV/dt 和高電流的應用而設計，具有較低的 ESR 和 ESL，從而提高了吸收瞬態電壓尖峰能量的能力。這類電容器具有自愈特性，可確保其長期可靠地運行。

脈沖薄膜電容器非常適合開關模式電源中的緩沖器應用，可保護有源開關設備不受開關過程中出現的電壓尖峰和振鈴的影響。如圖 8 所示，一個脈沖薄膜電容器 (C1) 與一個電阻器 (R1) 和一個二極管 (D1) 組成一個緩沖器，用于吸收 MOSFET 開關關斷期間變壓器寄生電感產生的電壓尖峰。

圖 8：諸如 C1 等脈沖薄膜電容器非常適合開關模式電源中的緩沖器應用，可以吸收 MOSFET 開關關斷期間變壓器寄生電感產生的電壓尖峰。(圖片來源：Art Pini）

反激式開關模式電源轉換器中的 MOSFET 斷開時，漏極電流達到最大。變壓器電感的作用是維持這一電流，并迅速升高電壓。初始放電時，緩沖電路中的電容器會吸收感應生成的尖峰能量，以保護 MOSFET 開關。通過保持較低的 ESL，電容作用的響應時間得以縮短，從而使緩沖器能夠處理高 dV/dt 瞬態。低 ESR 允許在開關關斷期間吸收瞬態能量所需的大電流。

脈沖薄膜電容器的結構經過優化，可處理高 dV/dt 和由此產生的電流（圖 9）。

圖 9：脈沖薄膜電容器的內部結構采用了雙面金屬化介電薄膜，以降低 ESR。（圖片來源：Eaton-Electronics Division）

Eaton-Electronics Division 的薄膜脈沖電容器使用雙面金屬化介質膜，有效地將電容器板和引線連接之間的接觸面積增加了一倍，從而降低了電容器的 ESR 并提高了其電流能力。例如，[EFPLS1GJ223B072LH] 器件是一款 0.022 mF ±5% 脈沖薄膜電容器，額定最大電壓為 1600 V。該電容器的 ESR 為 30 毫歐 (mΩ)，ESL 為 12 納亨 (nH),其最大 dV/dt 規格為每微秒 6,000 V (V/μs)，額定有效值電流為 3.2 A，額定峰值電流為 132 A。

相關的 EFPLA 系列包括用于汽車等惡劣環境的脈沖薄膜電容器，這些產品都符合 THB IIIB 等級和 AEC-Q200 規范要求。例如， Eaton 的 [EFPLA2AJ153B092LH] 器件是一款額定電壓為 2,000 V 的 0.015 mF ±5% 脈沖薄膜電容器，其 ESR 為 45 mΩ，ESL 為 12 nH。該器件的最大 dV/dt 規格為 4,500 V/μs，額定有效值電流為 3 A，額定峰值電流為 142.5 A。

結語

薄膜電容器采用干式非極化技術，具有較高電容密度。這類電容器的電容值穩定，不受溫度影響，可處理高紋波電流以及脈沖和浪涌電壓，適用于高頻和功率應用。這類電容器的金屬化結構還具有自愈能力，可提高可靠性，延長運行壽命，并有助于建立更出色的故障機制。Eaton-Electronics Division 提供的金屬化聚丙烯薄膜電容器種類繁多且在不斷增加，其功能經過優化，適用于多種不同的應用和工作環境。