TDK/EPCOSTDK新能源汽车薄膜电容,B32529C0334K000薄膜电容器

TDK/EPCOSTDK新能源汽车薄膜电容,B32529C0334K000薄膜电容器

薄膜电容器在新能源汽车上的运用

薄膜电容器是一种应用于直流滤波场合的电容器。由于它跟传统电容相比有寿命长、温度稳定性好等优点，更适用于新能源汽车中的
逆变器直流滤波。本文主要介绍薄膜电容器优点、采用的先进技术、相关的选型标准及应用分析。

　　【关键词】能源；薄膜电容器；电解电容器；逆变器；新能源汽车
　
　　1.随着工业的迅速发展、人口的增长和人民生活水平的提高，能源短缺已成为世界性问题，能源安全受到越来越多国家的重视。随着
“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量在不断地呈现上升趋势，全球汽车行业的发展面临着能源和环保的双重压力，各个国家为了将来在
世界汽车业中占得一席之地，纷纷推出了各自的的新能源汽车的规划蓝图，并大力发展新能源汽车。
　　新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽
车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品[1]。
　　电机，电池和电机控制技术是新能源汽车的三大核心。电机控制技术的核心就是需要高效电机控制的逆变器技术，高效电机控制的逆
变器技术则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。
　　本文主要介绍薄膜电容的优点、采用的先进技术、相关的选型标准及应用分析。
　　2.薄膜电容的技术优点
　　早期直流支撑薄膜电容都是采用电解电容，随着薄膜电容技术的发展，特别是基膜本身技术的发发展和金属化采用分割的技术出现，
不仅使得薄膜电容的体积在越做越小的同时，产品的耐压水平还保持在相当的水平，现在越来越多的公司采用高温聚丙烯薄膜电容器的作
为直流支撑电容，一个典型的例子就是丰田公司的PRIUS车型的改进；而国内车企典型代表是比亚迪F3DM和E6，都使用薄膜电容器作为
直流支撑电容。第一代丰田Prius使用的滤波电容器是电解电容器，见图2；从第二代开始，便开始使用薄膜滤波电容器组。
　　目前用于直流支撑的薄膜电容器，大部分是使用高温聚丙烯膜作为介质，聚丙烯薄膜电容器有如下的优点。
　　a.产品安全性好，耐过压能力强
　　由于薄膜电容器具有自愈额现象，而且薄膜电容的设计是按照IEC61071的标准，电容抗浪涌电压能力大于1.5的额定电压，加上电容
采用分割膜技术，见图4，电容理论上不会产生短路击穿的现象，这大大提高了这类电容的安全性，典型的失效模式是开路。在特定应用
中电容的抗峰值电压能力也是考察电容的重要指标。实际上，对电解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是1.2倍，这种情况迫使使用者
不得不考虑峰值电压而非标称电压。
　　b.良好的温度特性，产品温度使用范围广，可以从-40℃-105℃
　　直流支撑薄膜电容器采用的高温聚丙烯薄膜，具有聚酯薄膜和电解电容没有的温度稳定性，具体如下
　　随着温度的升高，聚丙烯膜电容器容量总体是下降的，但下降的比例是很小的，大概是300PPM/℃；而聚酯膜不管是在高温阶段还
是在低温阶段，容量随温度变化则大了很多，为+200～+600PPM/℃。
　　聚丙烯膜介质电容器的损耗随温度变化基本不变的，但聚酯膜介质电容器在低温和高温显示变化规律是不一样的。
　　由于聚丙烯膜介质电容器具有良好的温度特性，不管是在低温(比如说中国北方)或者高温地区(比如说沙漠地区)都可以得到正常的使
用，但对于电解电容器来说，如果在低温地区，由于电解液的存在，电解液可能会凝固，电容的性能在低温的时候，性能发生较大的变化，
可能导致电机控制器不能正常使用。
　　c.频率特性稳定，产品高频特性好
　　目前大部分的控制器开关频率在约10KHZ，这就要求产品的高频性能好，对于电解电容器和聚酯膜电容器来说，这个要求是个难题。
　　随着频率的升高，聚酯膜介质电容器的所测容量是随着频率的上升是逐步减少的，但聚丙烯膜介质电容器则基本不变。
　　随着频率的上升，聚酯薄膜介质电容器的损耗急剧加大，但聚丙烯介质电容器基本不变。
　　d.没有极性，能承受反向电压
　　薄膜电容器的电极是蒸镀在薄膜上纳米级的金属，产品是没有极性的，故对使用者来说非常方便，不需要考虑正负极的问题；而对电
解电容器来说，如果超过1.5倍Un的反向电压被加在电解电容上时，会引起电容内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间，
电容会发生爆炸，或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。
　　e.额定电压高，不需要串联和平衡电阻
　　为了提高输出功率，混合动力汽车和燃料电池汽车的母线电压有不断提高的趋势。现在市场上给电机提供的电池电压典型值有280V，
330V及480V，与之匹配的电容不同厂家不太一样，但大体是会选择比如450V，600V，800V，容量从0.32mF到2mF，而电解电容器的额
定电压不高于500V，所以当母线电压高于500V时，系统只能通过串联电解电容器来提高电容器组的耐压水平。这样，不仅增加了电容器组
的体积、成本，也增加了电路中的电感和ESR。
　　f.低ESR，通过耐纹波电流能力强
　　薄膜电容器大于200mA/μF，电解电容通过纹波电流能力为20mA/μF，这个特点能大大减小系统中所需要的电容器的容量。国内厂家
比如厦门法拉主推的产品目前0.4-0.5mΩ，最大纹波电流值从几十安培到几百安培不等。
　　g.低ESL
　　逆变器的低电感设计要求其主要元件DC-Link电容器要有极其低的电感。高性能DC-Link直流滤波薄膜电容器通过把母线整合到电容器
模块里，使它的自感降到最低(<30nH)，大大减小了在必要开关频率下的震荡效应。因此，并联在DC-Link电容器上的吸收电容经常被省略
掉，电容器电极直接接到IGBT上。
　　h.抗浪涌电流能力强
　　能够承受瞬间的大电流，采用波浪分切的技术和电容镀膜加厚边技术，可以提高产品浪涌电流温度和机械冲击的能力。 　　i.使用寿命长
　　薄膜不易老化的特性决定了薄膜电容器优很长的寿命，特别在额定电压和额定使用温度下，使用寿命大于15000小时；如果按平均30Km/H，
则在寿命期可以有450000Km，电容的寿命对于汽车的行驶里程是足够的。
　　3.薄膜电容的选择
　　为了达到节能的目的，提高电机的效率，减少线损，就必须把系统电压提高(见公式一)，电压提高后，可以降低通过回路的电流，由于电流
可以比较低，线损就会比较低。
　　P线损=I2R　　　 　 (1)
　　目前系统电压范围从100多伏到300多伏，有些公司用于大功率驱动的达到400多伏，由于控制电路自感及其在汽车在不同工况下使用的缘
故，大多公司选用是额定电压450V以上的电容。
　　根据电机功率的不同，目前有不同的IGBT模块可以使用，同样，对于直流支撑电容器，不同的厂家也推出了不同的产品，主流薄膜电容器
厂商比如厦门法拉和EP公司都推出了不容容量和结构的电容可供选择。选择时主要考虑额定容量、允许容量的偏差、额定电压、最大电压、电
池电压的波动范围、开关频率、纹波电流有效值、最大峰值电流、相间续流电流大小、电机额定功率、峰值功率、环境温度、最高工作温度、最
高工作海拔、散热方式和寿命要求等指标。
　　4.应用分析
　　4.1 纹波电压产生的原因
　　IGBT工作的时候，电路两端负载发生变化，母线上会产生纹波电流。如果没有C3电容器，那么电流将全部流经电池组，导致Ur产生波动
(Ur=Iripple×r)，U=U1+Ur，所以U两端将产生较大的纹波电压，影响IGBT的正常工作。
　　4.2 电容器组的作用
　　如果在母线两端并上电容器组，当ESR+1/ωC<　　4.3 电容器的选择
　　要使ESR+1/ωC<　　工程应用上，可以通过计算机模拟得到系统需要的最小电容器容值。当然，如果设计前已知了电路中的最大允许纹波
电压和纹波电流的有效值。那么，系统中需要的最小容值可以通过下面的公式计算：
　　(2)
　　由于系统中的滤波电流相对较大，而电解电容又有0.02A/μF的滤波电流限制，所以在开关频率较高的逆变器中一般不按最小容值选择电解
电容器，而是按下面公式选择电解电容器的容值：
　　(3)
　　下面以某电机电机驱动系统是30KW的纯电动车型举例说明，驱动器上的参数为：Vw=336V；　Uripple=4V；Irms=100A @10KHz。需
要的最小容值为：
　　(4)
　　这个容量的薄膜电容器很容易找到。如果选用电解电容器，则需要的容量是：
　　(5)
　　由此可以得出，开关频率较高的逆变器中使用薄膜电容器可以大大减小应用中所需要的容值。
　　5.总结
　　高性能DC-LINK薄膜电容器是一种采用新的制作工艺和金属化薄膜技术的电容器，它增加了传统薄膜电容器的能量密度，即电容的体积也随
之缩小。另一个方面它通过将电容器芯子和母排整合的方式来满足客户灵活的尺寸要求，不仅使得整个逆变器模块更加紧凑，也大大降低应用电
路中的杂散电感，使电路的性能更加优越。电动汽车中使用的电路设计有高电压、高有效值电流、有过压、有反向电压、有高峰值电流、同时还
有长寿命的要求，薄膜电容无疑是电动汽车作为直流支撑电容的最佳选择

阻燃环氧树脂在薄膜电容器中的应用
随着技术水平的发展，电子、家电、通讯等多个行业更新换代周期越来越短，而薄膜
电容器凭借其良好的电工性能和高可靠性，成为推动上述行业更新换代不可或缺的电子
元件。未来几年随着数字化、信息化、网络化建设进一步发展和国家在电网建设、电气
化铁路建设、节能照明、混合动力汽车等方面的加大投入以及消费类电子产品的升级，
薄膜电容器的市场需求将进一步呈现快速增长的趋势。同时对薄膜电容器不但提出了更
高的质量要求，而且也为它制定了更严格的安全技术规范，不仅要求它具有耐高湿热和
高强度等技术特性，而且还必须具有良好的阻燃性。这实际上就是要作为薄膜电容器保
护层的环氧树脂包封胶必须适应这些更苛刻的条件。

薄膜电容器

什么是环氧树脂

环氧树脂(EP)是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，活泼的
环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。之所以引起人们的重视，是由于
环氧树脂及其固化物是热固性树脂中综合性能最好的：

（1）它有优良的物理机械性能、电绝缘性，固化收缩率小；

（2）稳定性好，固化后的环氧树脂主链是醚键和苯环，三维交联结构致密又封闭，因
此它耐酸、耐碱及多种介质；

（3）粘结强度高，尤其是环氧基团能与固化剂作用交联生成大分子，具有很强的内聚力；

（4）原料容易取得，制造技术并不复杂，设备也比较简单且工艺性好；

（5）使用方便，能作为涂料，电气绝缘材料，胶粘剂浇注料，灌封料，包封料及玻璃钢
等，用途十分广泛，在国民经济各领域中起着不可缺少的重要作用。

通用型环氧树脂结构示意图

但是普通型环氧树脂的极限氧指数仅为19.8%左右，其易燃性及离火后的持续自燃容易引
发火灾，作为电子电器领域的基础材料使用时，难以满足实际的阻燃要求，必须进行阻燃
处理。

环氧树脂的阻燃改性

环氧树脂达到阻燃有两种方法，一般可分为“复合型”和“结构型”两种。

2.1、复合型阻燃环氧树脂

复合型阻燃环氧树脂是指在环氧树脂中加入各种不参与固化反应的阻燃添加剂，从而使材
料具有阻燃性能，具有工艺简便、成本低廉、原料来源较为广泛和操作方便等特点。目前
使用的添加型阻燃剂可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂。常用的无机阻燃剂有氢氧化铝、氢
氧化镁、膨化物、三氧化二锑、红磷等。有机阻燃剂包括有机卤系（如氯化石蜡、四溴双
酚A、十溴二苯醚等）和有机磷系阻燃剂（如磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯、三（氯乙基）
磷酸酯等）。

（1）无机阻燃剂

颇具代表性的金属基氢氧化物，性能稳定，价廉低毒，具有阻燃和抑烟作用，是环氧树脂
的常用阻燃剂，但其用量必须较大，如加入质量分数44.2%的氢氧化铝时，阻燃环氧树脂
的氧指数可达28.2%。红磷和氢氧化铝复配使用时能提高环氧树脂的阻燃效果，同时大幅
降低氢氧化铝的用量。

（2）有机卤系

有机卤系阻燃剂是应用十分普遍的一种阻燃剂，其添加量相对比较少，且阻燃效率较高，
尤其是溴系阻燃剂。但溴系阻燃剂存在的严重缺点是使被阻燃基材的抗紫外线稳定性降低
，且其对人类健康和环境存在着严重的威胁，故在使用中将逐步被其他低毒、无公害的无
机阻燃剂和有机磷系阻燃剂所取代。


（3）有机磷系

有机磷系阻燃剂是近年来发展较快的一种高性能阻燃剂，兼具阻燃和增塑的功能，拥有较
低的毒副作用及较好的阻燃效果，应用较为广泛，是今后主要发展的非卤新型阻燃剂。

2.2 结构型阻燃环氧树脂

由于大比例添加型阻燃剂的使用一方面会影响材料的机械性能，另一方面在固化和使用过
程中，阻燃剂的迁移会导致阻燃效果逐渐降低，呈现不稳定的阻燃状态。为此，考虑将具
有阻燃功效的反应性单体或固化剂作为制备环氧树脂的原理，将阻燃元素导入环氧树脂的
分子结构，使最终的环氧树脂具有长效、稳定的阻燃性能，且可以保持树脂原有的热力学
性能，如玻璃化转变温度，力学机械性能等。分子结构中带有一定数量的卤素、硅或磷元
素的功能单体都可以考虑作为反应单体和固化剂。

（1）阻燃功能单体原料

这类有阻燃功能单体合成的结构型阻燃环氧树脂，由于分子结构中含有大量的卤素、硅、
磷等阻燃元素，因而这类环氧树脂的阻燃性能极好。如以四溴双酚A替代普通双酚A作为
环氧树脂的反应原料，制备出高分子量的溴化环氧树脂，具有稳定性好、阻燃性能高的
特性。

（2）阻燃固化剂

将卤、硅、磷元素等具有阻燃功能的元素引入普通固化剂的分子结构中，如二氯代顺酐、
四溴苯酐、含磷胺类、含有胺基的磷酸及磷酸的酰胺等，或者通过分子设计直接合成具
有阻燃功能的新型固化剂都是值得关注的研究方向。

TDK集团近日推出了两款新系列爱普科斯(EPCOS)MMKP电容器，这两款电容器均采用了聚丙烯薄膜
和双面蒸镀金属化薄膜电极，具有优秀的耐脉冲能力和纹波电流能力。其电流与电容器型号及频率有
关，最大可超过10ARMS。MMKP系列电容器的另一个亮点是设计紧凑，其尺寸介于4mm x 9mm x
13mm和11mm x 18.5mm x 18mm之间，10mm和15mm的引线间距可选。


B32641B*和B 32642B*系列MMKP电容器专为630V DC或1000V DC电压应用而设计，电容值范围为
4.7nF至150nF，最高工作温度达+110 °C，主要适用于高频和高电流电路，包括带LLC拓扑的电源谐振
电路。MMKP电容器还适用于开关电源或照明系统的镇流器。

MMKP技术：金属化聚丙烯膜技术(MKP)，电极为双面蒸镀的金属化薄膜，可提高电容的耐脉冲能力及
自愈能力。

主要应用

LLC拓扑的电源谐振电路
开关电源
照明系统的镇流器

主要特点和效益

优秀的耐脉冲能力
优秀的纹波电流能力，超过10ARMS
尺寸紧凑