输入滤波铝电解电容上并联薄膜电容的选取

输入滤波铝电解电容上并联薄膜电容的选取

1.概述

在众多开关电源设计当中，无论是单相电还是三相电输入整流后端都有容量较大的电解电容用于储能与滤波，当然我们熊谷公司生产的电焊机电源也如此，与一般小功率开关电源不同的是我们使用的电解电容是耐压更高，电流更大。所以采用的是螺栓式铝电解电容。铝电解电容按引出方式分：引线式、焊针式、焊片式、螺栓式。按结构分：有固定剂（延伸纸）、无固定剂（延伸负极）。本文中重点讨论的不是该铝电解电容的内容，而是并联在铝电解电容两端薄膜的选型。

2.薄膜电容特性及应用场合

并联在铝电解电容两端薄膜电容的作用是吸收网压的谐波高频成分和吸收直流母线上的电压尖峰。可是这个薄膜电容的容量和薄膜电容的材质该到底选择，没有一个理论支撑更多都是凭借经验取值或者更是拿来主义，没有深入研究该电容的选取跟整个系统那些参数有关。

首先介绍薄膜电容的薄膜介质，主要分为聚丙烯薄膜或者聚酯薄膜。

聚丙烯膜的特点：高频损耗极低，电容量稳定性很高，负温度系数较小，绝缘电阻极高，介质吸收系数极低，频率特性极好，自愈性极好，稳定性很好。

聚酯膜的特点：工作温度范围宽，介电常数大，电容量稳定性很高，正温度系数高，自愈性好，容积比大。

聚酯膜电容典型应用：

1）隔直和耦合；

2）旁路；

3）退耦；

4）滤波；

5）定时；

6）低脉冲电路；

7）振荡电路。

聚丙烯膜电容典型应用：

1）高频脉冲应用；

2）大电流应用场合；

3）交流应用场合；

4）高稳定的定时场合；

5）开关电源系统；

6）工控行业；

7）高Q 滤波。

3. 薄膜电容具体计算

图1. 输入滤波铝电解电容并联薄膜电容

在图1中C1、C2、C3、C4、C5、C6中就是薄膜电容在具体电路的使用，这个薄膜电容主要是吸收的作用。吸收电容的定义：吸收电容在电路中起的作用类似于低通滤波器，可以吸收掉尖峰电压。通常用在有绝缘栅双极型晶体管（IGBT ），消除由于母排的杂散电感引起的尖峰电压，避免绝缘栅双极型晶体管的损坏。

因为是吸收功率管的尖峰电压，吸收电容需要跟着拓扑走。由于线路的寄生电感作用,当功率管工作在大电流导通状态切换到关断时，寄生电感上残余能量需要释放，此时会出现电压尖峰：

dt

di L V ⨯= 聚丙烯薄膜电容具有低感抗特性，能瞬间通过较大电流，以便吸收此残余能量，控制母线电压在合理范围，从而保护了保护晶体管。

具体的选型需要根据切断电流，允许母线上升的最高电压，寄生电感量来定义。

这个公式可参考 : )01(2

121222Vbus Vbus C I L E lk lk -⨯⨯=⨯⨯=

Llk 为线路电感；

I 为开关切换时的电流；

C 为吸收电容容值；

Vbus1为允许的母线最高电压（尖峰电压）；

Vbus0为开关导通时的母线电压（常规电压）；

4.薄膜电容使用的案例分析

下图2是大功率多管并联案例方案：

图2. 大功率多管并联示意图下图3是大功率多管并联布局示意图：

图3. 具体布局示意图

下图4是IGBT模块使用薄膜电容结构选型：

图4. IGBT模块采用薄膜电容结构选型示意图

无论是上面案例中的IGBT单管还是IGBT模块运用中都满足图5的工作原理，下图5中红色电流回路Ip的示意图分析得，薄膜电容吸收开关管的电压尖峰。薄膜电容高频阻抗较小，可分担电解电容的高频纹波电流。又因输入滤波电解电容其容量一般比较大，但等效串联电感也很大，所以对低频干扰有很好的吸收和抑制作用，但对高频干扰却无能为力。而薄膜电容，其容量不能做很大，但等效串联电感很小，所以利于吸收高频干扰。一般地，在整流滤波电路中，两者配合使用。而且为了提高滤波效果，电解电容也是多个并联，也是出于减小等效电感的考虑。铝电解电容的引出端子虽然为一段导线，但在高频情况下却要视为一个小电感。而且由于电解电容内部的电极是卷曲绕制而成，更增加了其电感量。所以在使用时必须考虑到这一点。对于大容量的铝

电解电容来说，其自谐振频率较低，低于噪声信号的频率。当噪声信号加在该电容上时，实际上其阻抗特性呈感性，此时该电容相对于一个电感，对高频噪声呈高阻抗，高频噪声无法或不容易通过该电解电容旁路到地。所以需要一个容量很小的薄膜电容来滤除高频噪声。因为薄膜电容，其等效电感（ESL）也很小，自谐振频率很高，高于噪声的频率，即使在噪声所在频段该小电容也是呈现容性的，高频噪声可通过该小电容旁路到地，达到滤波效果。

图5. 脉冲电流回路信号分析图

5.薄膜电容选型使用总结

1、首先薄膜电容根据拓扑（而非电解）选定耐压。

2、根据电路拓扑选定材质，比如桥前的要用X电容，吸收就不能用X电容。

3、根据布局选定封装，以脚距和个头论英雄，脚距与PCB布局（环路最小化）有关，个头与成本有关、还与能量有关，这取决于你的品位（对品质的定位），视觉上只要不超过电解就不算过分奢华、也有完全看不见薄膜电容踪迹的地摊货。

4、根据你的成本预算选择厂家品牌。

5、最后才是容量，在上面的框框下，容量不会太大偏差，当然偏大一点更好。