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薄膜电容

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薄膜电容是什么

薄膜电容指的是将金属箔作为电极,以聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等人工合成的高分子聚合物材料(塑料薄膜)作为电介质的电容器,其结构是将金属箔材料和塑料薄膜重叠,继而卷绕/叠片形成电容器。薄膜电容具备无极性、介质损失小、长寿命、频率及温度特性优异等特性,与铝电解电容等其他种类电容相比,薄膜电容更加高频、低损耗等,因此被大量应用在模拟电路中,尤其是在必须使用频率特性良好、介质损失极低的信号交连部分,薄膜电容的应用使信号在传送时失真减少。

薄膜电容

薄膜电容的工作原理

薄膜电容器的工作原理与一般电容器一样,都是是通过在电极上储存电荷储存电能,通常与电感器共同使用形成LC振荡电路,电容器工作原理是电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存。

薄膜电容的优点

(1)良好的电学特性:薄膜电容具备无极性(不区分正负极)、等效电阻较低(ESR低,功率损耗低,可承受较大的纹波电流)、等效电感低(ESL低,减小IGBT开关动作时的尖峰电压)等特点。

(2)电压强度高:在较多应用场景中,薄膜电容与铝电解电容均可作为备选方案,但相比于铝电解电容,薄膜电容可承受更高的电压强度。在新能源汽车、太阳能和风能的部分应用场景中,涉及高压电力转换,要求其中的电容器能够承受几百甚至几千伏特的电压,这种场景之下,薄膜电容是最优的选择。

(3)具备自愈性,使用寿命长:蒸镀电极具有自我修复功能,当薄膜上绝缘弱的地方被施加过高电压导致击穿时,周围的蒸镀膜瞬间氧化,恢复绝缘状态。此外,高端薄膜电容的蒸镀电极有时还会结合保险丝图案使用,即并非在基膜整个平面上形成蒸镀膜,而是分割成多个领域并用狭窄的熔断器相连接,当发生超过自我修复功能极限的绝缘击穿时,熔断器会熔断从而避免绝缘击穿。在这种自愈性的加持下,薄膜电容一般都具备10年以上的寿命,这在新能源汽车、光伏、风电等对元器件寿命要求较高的领域具备较高的适用性。

薄膜电容

薄膜电容的分类

(1)从电极类型看,薄膜电容分为箔电极型与蒸镀电极型。

箔电极型:将作为内部电极的金属箔与塑料薄膜重叠并进行卷绕,薄膜电容早期多采用这种技术,目前占比逐渐减少,主要优势是工艺简单、可应用于大电流场合;

蒸镀电极型(金属化薄膜型):在薄膜上蒸镀金属薄层(铝、锌等),由于蒸镀膜极薄,因此能在实现小型化的前提下实现更大的电流,是目前主流的薄膜电容的类型。

(2)从结构上看,薄膜电容可分为叠层型和卷绕型两类:

叠层型为将多层聚合物薄膜叠加到一起,然后将叠层体装入壳内;

卷绕型为卷绕并冲压聚合物薄膜,然后将其装入壳内,由于便于制造,目前卷绕型薄膜电容器是较常使用的类型。

薄膜电容

(3)根据薄膜材质不同,薄膜电容器可分为聚乙酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)和聚蔡二甲酸乙二醇酯(PEN).

聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(PET):耐寒耐热,适用温度范围广,价格低廉

聚丙烯膜(PP):绝缘电阻高,低损失,适用于大电流,耐热性稍差

聚苯酸醚膜(PPS):耐热性强,温度特性良好,价格高

聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN):耐热性良好,与PP、PPS相比温度特性较差

薄膜电容

(4)根据应用场景的不同,薄膜电容器可以分为直流支撑电容器、滤波电容器等

薄膜电容的参数

(1)额定直流电压:是在整个温度范围内允许持续施加的直流电压。

(2)介电强度:电容器的介质所能承受的电压,这个电压高于试验电压。

(3)额定交流电压:电容器工作在交流电压下可以连续施加的交流电压有效值。

(4)试验电压:电容器出厂前形式试验时对电容器施加的电压,一般在1.5~2倍,持续时间2分钟或500小时。

薄膜电容应用领域(作用)

根据中国电子元器件行业协会数据,2020年国内薄膜电容器的市场规模约为100亿元。薄膜电容器应用场景广泛,覆盖消费类电子、工业类装备、军工用品、电动汽车等。在新能源市场中,薄膜电容器侧重电动汽车、光伏及储能、风电等领域,有望实现快速发展。

薄膜电容

(1)在新能源汽车领域,薄膜电容主要应用于电控,高压趋势下替代铝电解电容。电机控的核心是需要高效制的逆变技术,需要一个功能强大的IGBT模块和一个与之匹配的直流支撑电容器。早期直流支撑电容器都是采用铝电解电容,当电机驱动的最大电压从500V提高到650V之后,铝电解电容耐压不足,越来越多公司采用聚丙烯(PP)薄膜电容器替代铝电解电容。

(2)薄膜电容可应用于光伏逆变器,起到滤波、抑制干扰、缓冲等作用。逆变器是光伏系统中核心部件之一,将太阳能电池组件产生的直流电,通过电力电子变换技术转化为交流电并入电网。电容在逆变器中起到输入/输出滤波、抑制干扰、缓冲等作用。电网是一个庞大且复杂的系统,逆变器工作时除了保证DC/AC转换的同时还需要保证输出电能的质量,否则会对电网运行造成严重影响。薄膜电容能吸收高脉冲电流,使得逆变器和变流器端的电压维持在稳定的范围内。

薄膜电容

从具体电路功能来看,薄膜电容一般可实现如下功能:

滤波,整流电路将交流变成脉动的直流,滤波后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压;

降低噪声,电流中有时会出现系统外的噪声干扰,电容在此时可降减少系统外噪声的干扰;

抑制和缓冲EM,系统运行中,常出现突发的电流、信号干扰,EMI滤波器可减少突然进入系统的干扰电流、信号;

直流支撑DC-link,一般在交直流转换的场景中需要,起到滤波、储能的作用,用以支撑直流电路的稳定性。这是薄膜电容较为重要的应用场景,在各类变流器内有重要的应用;

储能,通过电容临时存储系统的电量,并在系统需要时放出较高的瞬间电流。

薄膜电容

薄膜电容怎么测量好坏

(1)将电容器与电源接通,如果接通的瞬间万用表的指针不摆动,则说明电容器失效或断路。若表针一直指示电源电压,但是却不作摆动,表明电容器已短路。若表针摆动正常,但不返回零位,说明电容器有漏电现象。因为所指示的电压数值越高,表明漏电量越大。

(2)测量容量小的电容器所用的辅助直流电压不能超过被测电容器的耐压,以免因测量而造成电容器击穿损坏。要想准确测量电容器的容量,需要采用电容电桥或Q表。上述的简易检测方法,只能粗略判断压力表电容器的好坏。

(3)容量大的固定电容器可用万用表的电阻档(R×1000)测量电容器两电极,看表针的摆动情况,摆幅越大,表明电容器的电容量越大。若测试棒一直碰触电容器引线,表针应指在∞附近,否则,表明该电容器有漏电现象,其电阻值越小,说明漏电量越大,则电容器质量越差。

(4)在检查电容器的好坏时, 对耐压较低的电解电容器,电阻档应放在R×100或 R×1K档,把红表笔接电容器的负端,黑表笔接正端,这时万用表指针将摆动,然后恢复到零位或零位附近,这样说明电解电容器的质量是合格的。电解电容器的容量越大,充电时间越长,指针摆动得也越慢。

参考来源:

薄膜电容行业报告:新能源车、光伏、风电驱动薄膜电容市场潜力巨大-220525(33页).pdf

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