电动车逆变器大容量电容器:用3μm以下的薄膜做(上)

2011-06-14 15:58:03来源: 技术在线
  目前,电动汽车逆变器的平滑电容器采用薄膜电容器已经成为普遍的做法。这是因为薄膜电容器耐压性及频率特性较为出色的结果。日本指月电机制作所采用厚度在3μm以下的薄膜实现了薄膜电容器的小型化,并减轻了制造时给介电体带来的负荷,提高了可靠性。另外,还采用了即使部分电极发生短路也不会对整体带来不良影响的蒸镀形状。



  混合动力车(HEV)及电动汽车(EV)上采用输出功率高达数十千瓦~一百数十千瓦的马达。电压也高达数百伏,所以需要能够驱动它的逆变器。指月电机制作所于2010年开发出了在这种逆变器中不可缺少的、用于平滑电压的薄膜电容器。容量从500μF到1300μF左右。额定电压高达600V,与2007年开发的原产品相比,额定电流增至以往产品的4倍(表)。该产品已被日立汽车系统公司采用,现在提供给大型汽车厂商的混合动力车使用。


通过薄膜电容器满足大容量、高电压需求

  逆变器可将来自电池的直流电通过转换器转换成变动较小的电压,再通过名为绝缘双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的开关元件转换成近似于交流电的矩形波(图1)。开关频率快至十数kHz~数十kHz,由此产生的浪涌电压很大。这种浪涌电压与开关元件的输入电压重叠,便会产生尖峰(变动)。为了减少这种尖峰,需要采用平滑电容器。

图1:为了保护开关元件,平滑电容器必不可少
变动较大的电压施加到开关元件上之后,最坏的情况下,元件会损坏。通过平滑电容器吸收电压变动,以便向元件供给稳定的电力。

  逆变器的电流高于100A,平滑电容器需要1000μF左右的大容量。而且,必须支持500V以上的高电压。为了提高马达及逆变器的效率,现在的混合动力车更倾向于提高电压。例如“普锐斯”,将施加在马达上的电压从第2代车型的最大500V提高到了最大650V。

电解电容器需要大出一个数量级的容量

  通常,大容量电容器采用铝电解电容器。第一代普锐斯的平滑电容器就是如此。如果按平均1μF的制造成本来看,多数情况下铝电解电容器要比薄膜电容器便宜。但是如果逆变器的电压进一步提高,则铝电解电容器难以对应。目前投入实用的1000μF左右铝电解电容器的耐压约为500V左右,因此必须使电压比该数据更低。这样要想在混合动力车上使用,就必须将两个铝电解电容器串联起来。

  另外,由于离子会发生运动,因此,铝电解电容器的响应性一般较低,要支持在数十kHz频率下的接通或者断开产生的电流会比较困难。要使其在高频下支持100A以上的电流,或许必须准备额定容量为10000μF左右、相差一个数量级的产品。如果响应性较低,在电荷积聚完成之前就会开始放电,因而无法用尽容量。而且容量达到10000μF时,铝电解电容器在成本方面的优势也会减弱。

  于是,薄膜电容器便成了主流。这是因为薄膜可以采用耐压及频带较高、等效串联电阻(ESR)较低的聚丙烯(PPC)材料制作。

  用于混合动力车及电动汽车的平滑电容器要满足支持高电压和高频这两个条件,就必须(1)实现小型化、(2)提高耐热性、(3)提高安全性。

  为了实现(1)提及的小型化,此次指月电机制作所将单位体积的容量密度比以往产品提高了15%左右。2007年的产品的薄膜厚度约为3μm,而此次薄膜的厚度则更薄(图2)。由于是在电极之间夹持薄膜后制成电容器元件,因此薄膜越薄,电极间的距离就越短,从而可在减小体积的同时提高容量。

图2:厚度薄、耐压高的聚丙烯薄膜
东丽以及王子特殊纸两公司均有生产。

  制造的流程如下。首先,在真空中向聚丙烯薄膜的一个面上蒸镀锌(Zn)及铝(Al)之类的金属,制成电极。将2枚这种薄膜重叠卷起来,便可制成在两个电极间夹着作为介电体的薄膜的电容器。蒸镀以将薄膜贴在金属滚筒上、转动该滚筒以揭取薄膜的方式进行(图3)。在贴于滚筒的薄膜上,在400℃的融点温度下将锌、在1200℃的融点温度下将铝熔化后进行蒸镀。滚筒预先冷却至-20~+25℃。(特约撰稿人:藤原 祐纪,指月电机制作所第一业务本部第2开发部部长)

图3:既快又薄且均匀地进行蒸镀
在薄膜上蒸镀锌及铝的情形。实际上是在真空中进行。高速旋转滚筒,1小时即可制成30千米的蒸镀薄膜。


关键字:电动汽车  大容量电容器  电容器  薄膜

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0614/article_3867.html
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