不要让 DC Link 电容器成为电源转换器设计中的薄弱环节

作者：Jeff Shepard

直流 (DC) link 电容器是许多应用的关键部件，包括用于电动汽车 (EV) 电机驱动的三相逆变器、光伏和风能逆变器、工业电机驱动、车载充电器以及医疗或工业设备的电源。紧跟最新发展趋势至关重要。如果应用不当，DC link 电容器可能成为降低能量密度和可靠性的“薄弱环节”。

与半导体技术的飞速发展不同，电容器技术进步缓慢并且可能被忽视，这对设计者来组是什么好事。各种电容器技术的发展速度不同，如铝电解质电容器是一种更成熟但发展较慢的技术，而薄膜电容器和多层陶瓷电容器 (MLCC) 则发展较快，这种情况已造成了不少麻烦。与薄膜电容器和 MLCC 相比，铝电解电容器通常能提供更大的单位体积电容和更高的能量密度；但权衡点不是固定的。

例如，当用频率更高的器件升级电源开关——如用 MOSFET 取代 IGBT，或用宽带隙 (WBG) 电源开关取代硅器件时，就可能是时候重新考虑以前对 DC link 电容器所做的选择了。每种 DC Link 电容器技术都有一套独特的功能（图 1）。

图 1：DC-Link 电容器的比较结果显示了主要技术的电压与电容之间的关系。TDK 的 CeraLink 电容器是针对 DC-Link 应用进行了优化的 MLCC。（图片来源：TDK Corporation）

铝电解质电容器 (Lytics) 是最常见的 DC Link 电容器。这类电容器集高能量密度和低成本于一体。这类电容器经常被用于工业电机驱动、不间断电源 (UPS) 以及各种消费、商业和工业应用。然而，这种电容器使用寿命较短并在低频下工作，使其无法满足更高的应用要求。

在诸如电动车牵引驱动等要求更高的应用中，薄膜电容器经常被用作 DC Link 元件。薄膜电容器具有更高的可靠性、高电流传导能力、较低的等效串联电阻 (ESR)，而且与铝电解电容器相比可用于频率更高的应用。但是，与铝电解电容器相同的是，薄膜电容器的工作温度也相对较低，约为 105 ℃。

MLCC 提供了第三种可能性。这类电容器的额定均方根 (rms) 电流较高，可承受比其他电容器更高的温度。缺点是能量密度给定时，可能需要相对较多的 MLCC，这使得实现一个能确保电流等量分布的电容器布局成为一种挑战。此外，MLCC 可能存在可靠性问题；陶瓷介质材料是刚性的，可能因机械或热应力发生破裂，造成端子间短路。

显然，适用于所有 DC Link 应用的“完美”电容器技术并不存在。要为一个特定的项目找到最佳的设计方案，需要了解最新的技术进步和产品发展情况。因此，让我们考虑几种代表性器件的权衡和功能，包括 Cornell Dubilier Electronics 的铝电解电容器、KEMET 的薄膜电容器和 TDK Corporation 的 MLCC。

用于高纹波设计的电解电容器

对于高纹波电流应用，可以使用 Cornell Dubilier Electronics 的 381LR 系列电容器，其额定电压为 200 至 450 Vdc，电容为 56 至 2,200 μF，相比标准的 105℃ 咬接式铝电解电容器，纹波电流处理 能力至少高 25%（图 2）。电解质配方的最新进展是实现低 ESR 的关键，而低 ESR 可使电容器具有纹波电流能力。这意味着，电机驱动、不间断电源 (UPS) 和其他高纹波电流应用所需电容器数量会更少。

图 2：381LR 铝电解电容器的额定电压为 200 至 450 VDC，额定电容为 56 至 2200 μF。（图片来源：Jeff Shepard，基于 Cornell Dubilier Electronics 提供的原始材料）

用于汽车牵引驱动的薄膜电容器

如果你正在设计用于恶劣环境的系统，如汽车牵引驱动，KEMET 的 DC-Link C4AK 薄膜电容器将是一个不错的选择，其寿命在 125℃ 时为 4000 小时，在 135℃ 时为 1000 小时（图 3）。这些器件专用于紧凑型系统设计，采用外形扁平、适合 PC 板安装的径向盒形式，并能将较少的电容器并联，以处理峰值和纹波电流。

图 3：KEMET DC Link C4AK 薄膜电容器系列在 125℃ 时的寿命为 4000 小时，在 135℃ 时的寿命为 1000 小时。（图片源：KEMET）

C4AK DC Link 电容器设计用于高频、大电流电动车系统的电源转换器、光伏和燃料电池的逆变器、储能系统、无线电力传输以及其他工业应用。

用于快速 WBG 半导体的 MLCC

当使用 WBG 时，TDK 的 CeraLink FA（柔性组件）系列可以提供一个合适的解决方案。该系列的电容范围为 0.25μF 到 10μF，额定电压为 500 到 900 VDC。例如，B58035U9255M001 的额定电容为 2.5 μF，额定电压为 900 V（图 4）。CeraLink 系列的各种器件经过优化后，可用作 DC Link 电容器，其特点包括：

· 每立方厘米 (cm3) 的电容密度为 2 至 5μF
· 2.5 至 4 nH 低自感
· 能够安装在非常靠近半导体功率器件的位置，并能在有限的时间内在高达 150°C 的温度下工作
· 无电压压摆率 (dV/dt) 限制

图 4：B58035U9255M001 是 TDK CeraLink FA 系列的一部分。该系列是 2.5μF、900 V 叠接 MLCC。（图片来源：TDK Corporation）

FA 系列电容器宽 9.1 mm，高 7.4 mm，长度 6.3 mm、9.3 mm 和 30.3 mm。该系列的纹波电流能力高达 47 Arms。

结语

指定 DC Link 电容器是设计电源转换器的一个重要零件。如图所示，我们有很多、可变的、可能的选择。如果选择不当，可能会导致电源转换器无法达到预期或者成本过高。为了避免做出错误的选择，你需要及时了解 DC Link 电容器技术和产品的最新发展。