作者：Jeff Shepard

　　電動(dòng)汽車 (EV) 充電器具有各種電壓和功率水平，但都依賴于電容器來(lái)執(zhí)行直流輸入濾波、直流鏈路、交流諧波濾波、直流輸出濾波等功能，在某些設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容器與電池儲(chǔ)能和太陽(yáng)能逆變器結(jié)合使用。由于電動(dòng)汽車充電器通常位于室外或其他惡劣環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是首先確定電容器的性能曲線，然后選擇合適的電容器類型以滿足苛刻的可靠性特性。

　　設(shè)計(jì)人員需要確保電容器具有堅(jiān)固耐用的物理性能，具有寬工作溫度額定值和較長(zhǎng)的使用壽命。電容器需要緊湊，能夠處理大紋波電流而不會(huì)過(guò)熱或性能下降，并且需要滿足AEC-Q200的電氣和機(jī)械要求，以及國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)61071的性能要求，有些需要滿足ANSI / IEEE標(biāo)準(zhǔn)18。

　　為了滿足這些電路應(yīng)用的多樣化需求，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向各種電容器技術(shù)，如功率薄膜電容器、鋁電解電容器和超級(jí)電容器，包括低電感設(shè)計(jì)、具有高紋波電流額定值、高工作溫度、自愈能力的電容器、符合 IEC 61071 的 AEC-Q200 認(rèn)證以及具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的超級(jí)電容器。

　　本文定義了各種充電水平，并基于這些水平回顧了太陽(yáng)能逆變器中電容器的電路應(yīng)用。然后，介紹了輸入濾波、功率膜直流母線、交流諧波濾波以及輸出濾波電容器和超級(jí)電容器的示例。 康奈爾杜比利埃電子 適用于各種電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)，以及將這些電容器集成到印刷電路板 (PC 板)、連接到母線或直接連接到絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 模塊以確保成功設(shè)計(jì)的封裝選項(xiàng)。

　　電動(dòng)汽車充電水平和要求

　　電動(dòng)汽車充電分為三個(gè)級(jí)別：1 級(jí)住宅充電提供 120 伏交流電 (V交流) 權(quán)力;2 級(jí)住宅和公共充電提供 208/240 V交流 權(quán)力;3 級(jí)商用和公共充電器提供 400 至 900 伏直流電 (V直流)用于直流快速充電和超級(jí)充電的電源。一些 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器基于太陽(yáng)能逆變器和電池儲(chǔ)能。

　　越來(lái)越常見(jiàn)的太陽(yáng)能 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器包括直流到直流 (DC-DC) 轉(zhuǎn)換器和直流到交流 (DC-AC) 逆變器。他們需要各種高性能電容器，這些電容器設(shè)計(jì)用于符合AEC-Q200和IEC 61071標(biāo)準(zhǔn)的惡劣電氣條件，包括圖1所示的類型：

　　直流輸入濾波器和直流鏈路電容器：這些充電器需要針對(duì)中等功率應(yīng)用優(yōu)化的低電感直流輸入濾波器和直流鏈路電容器。他們可以使用值高達(dá) 1 Farad (F) 或更高的電容器和低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 來(lái)最大限度地減少內(nèi)部發(fā)熱，從而受益匪淺。

　　交流輸出濾波電容器基于IGBT的開(kāi)關(guān)模式電源逆變器會(huì)產(chǎn)生高諧波含量和總諧波失真(THD)，必須使用交流輸出濾波電容器進(jìn)行濾波。如果沒(méi)有充分濾波，諧波會(huì)使輸出交流波形失真。

　　超級(jí)電容器：在1級(jí)和2級(jí)太陽(yáng)能充電器中，添加超級(jí)電容器特別有益，以幫助系統(tǒng)適應(yīng)日照的變化，因?yàn)樵茖幼璧K了相對(duì)較小的太陽(yáng)能電池板，導(dǎo)致輸出功率出現(xiàn)峰值和谷值。在這些系統(tǒng)中，峰值功率和平均功率之間的比率可能會(huì)對(duì)純電池系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)。超級(jí)電容器和電池的組合可以產(chǎn)生具有更高功率密度的系統(tǒng)。

　　圖 1：太陽(yáng)能逆變器 EV 充電器需要各種電容器和超級(jí)電容器。(圖片來(lái)源：康奈爾杜比利埃電子)

　　電容器在使用 AC-DC 電源轉(zhuǎn)換的 3 級(jí)直流快速充電器的設(shè)計(jì)中也很重要。與 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器一樣，直流快速充電器需要直流鏈路電容器。直流快速充電器中的直流母線電容器是更高功率的器件，通常具有更高的額定電壓。此外，3 級(jí)充電器需要交流輸入濾波電容器和直流輸出濾波電容器(圖 2)：

　　交流輸入濾波電容器：為了支持更高的功率水平，與設(shè)計(jì)用于低功耗處理的器件相比，這些電容器的封裝方式通常不同。例如，雖然 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器中的低功率濾波電容器可以具有咬接式端接，以便快速連接到印刷電路板或可焊接引腳，但 3 級(jí)直流快速充電器中使用的電容器通常具有直接連接到大功率母線的螺絲端子。3 級(jí)充電器的輸入電容器可能需要符合 ANSI/IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 18。

　　直流輸出濾波電容器：這些電容器的功能與 1 級(jí)和 2 級(jí)太陽(yáng)能充電器中的交流諧波濾波電容器類似。它們吸收瞬變并濾除充電器的 DC-DC IGBT 開(kāi)關(guān)級(jí)產(chǎn)生的諧波電流，從而平滑輸出電壓。這些電容器需要將低 ESR 與高紋波電流能力相結(jié)合。

　　圖 2：電網(wǎng)供電的 3 級(jí)直流充電器需要能夠處理高電流和電壓的組件。(圖片來(lái)源：康奈爾杜比利埃電子)

　　用于 1 級(jí)和 2 級(jí)光伏電動(dòng)汽車充電器的電容器

　　直流輸入濾波： Cornell Dubilier 為設(shè)計(jì)人員提供了多種鋁電解電容器選項(xiàng)，用于 1 級(jí)和 2 級(jí)電動(dòng)汽車充電器的直流輸入濾波，包括 DCMC 螺絲端子電容器和 380LX/382LX +85°C 和 381LX/383LX +105°C 焊片式電容器(圖 3)。DCMC 電容器的電壓范圍為 110 μF 至 2.7 F，電壓高達(dá) 550 V，工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，可處理高水平的紋波電流。380LX 型電容器在 +85°C 下滿載時(shí)的負(fù)載壽命為 3，000 小時(shí)，而 381XL 電容器在 +105°C 下滿載時(shí)的負(fù)載壽命為 3，000 小時(shí)。 380LX/382LX 和 381LX/383LX 電容器提供 2、4 和 5 引腳類型，支持安全準(zhǔn)確地安裝到印刷電路板上。

　　圖 3：381LX 和相關(guān)電容器具有咬接式印刷電路板連接。(圖片來(lái)源：康奈爾杜比利埃電子)

　　直流鏈接：對(duì)于直流鏈路，設(shè)計(jì)人員可以從 550C 型鋁電解槽中進(jìn)行選擇，例如 550C562T400DP2B 和 947D 系列金屬化薄膜電容器，如 947D601K901DCRSN.550C 系列在典型應(yīng)用中的使用壽命超過(guò) 100，000 小時(shí)，在 +85°C 運(yùn)行時(shí)的使用壽命長(zhǎng)達(dá) 20，000 小時(shí)。550C 電容器的 ESR 低至 7 毫歐 (mΩ)，并具有用于連接到印刷電路板或母線的螺絲端子，可處理高紋波電流。

　　947D 系列結(jié)合了逆變器設(shè)計(jì)所需的高電容和非常高的紋波電流能力。這些電容器的額定電壓為 900 至 1，300 V直流.它們?cè)?+85°C 下的額定工作時(shí)間為 7，000 小時(shí)，在 +60°C 內(nèi)核溫度和全額定電壓下的預(yù)期壽命為 350，000 小時(shí)。

　　交流輸出諧波濾波：為了在惡劣環(huán)境中提供交流輸出諧波濾波，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的類型 ALH系列 交流濾波電容器。與標(biāo)準(zhǔn)電容器相比，基于加速 85/85 溫度-濕度-偏置 (THB) 測(cè)試，這些電容器的壽命延長(zhǎng)了 50%。它們具有高均方根 (RMS) 電流額定值，適合處理基于高頻 IGBT 的逆變器中的高次諧波。電容范圍為 0.22 至 50 微法拉 (μF)，電壓為 160 至 450 V交流，50/60 赫茲 (Hz)。這些自愈金屬化聚丙烯薄膜電容器采用堅(jiān)固的板安裝封裝(圖 4)，工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C。 ALH 系列電容器在額定電壓和 +70°C 熱點(diǎn)溫度下的預(yù)期壽命為 100，000 小時(shí)。

　　圖 4：ALH 系列交流濾波電容器可在惡劣環(huán)境中提供交流諧波輸出濾波，具有自愈功能，設(shè)計(jì)用于在印刷電路板上進(jìn)行通孔安裝。(圖片來(lái)源：康奈爾杜比利埃電子)

　　超級(jí)電容器：對(duì)于需要超級(jí)電容器可以提供的瞬時(shí)突發(fā)功率的設(shè)計(jì)，康奈爾杜比利耶提供 DGH系列 和 DSF 系列.DGH 系列包括 21 種不同的值/電壓組合，電容范圍為 0.5 至 600 F，額定電壓為 2.7 至 5.5 工作伏直流 (WV)直流).DSF 超級(jí)電容器提供更高的 3.0 WV直流 適用于單個(gè)組件和 6.0 WV直流 用于雙設(shè)備(圖5)。這種更高的電壓規(guī)格導(dǎo)致能量密度提高 24%。DSF 系列包括 17 種不同的值/電壓組合，電容范圍為 1.5 F 至 600 F。兩個(gè)系列的額定循環(huán)次數(shù)均為 500，000 次。它們提供通孔引線或咬接引線選擇，以集成到印刷電路板中。

　　圖 5：DSF 超級(jí)電容器提供雙通道和單通道設(shè)備。(圖片來(lái)源：康奈爾杜比利埃電子)

　　用于 3 級(jí)充電器的電容器

　　交流輸入和諧波濾波：對(duì)于 3 級(jí)直流充電器支持的高功率水平，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向 PFCH 系列三相串聯(lián)電容器，例如 PFCHX48D20S108T，額定電壓為 76.8 μF 和 480 V交流 專為交流輸入諧波濾波而設(shè)計(jì)。這些電容器由三個(gè)自愈金屬化聚丙烯繞組組成，這些繞組以三角形配置連接并封裝在圓柱形鋁制外殼中。它們的使用壽命為 60，000 小時(shí)，存活率為 94%，故障時(shí)間 (FIT) 額定值為 ≤300 X 109 組件小時(shí)數(shù)。它們包括一個(gè)壓力滅弧室，可在電容器壽命終止或過(guò)載時(shí)斷開(kāi)所有三相。它們符合 ANSI/IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 18，根據(jù) UL 810 標(biāo)準(zhǔn)，最大短路電流額定值為 10 千安 (kA)。

　　直流鏈接：直流連接電容器的選擇包括 BLH 直流母線 專為印刷電路板安裝而設(shè)計(jì)的電容器，在施加額定電壓的情況下，在 +85°C / 85% 相對(duì)濕度下進(jìn)行了 1，500 小時(shí)的測(cè)試，以及 474 系列，如 0.47 μF、1.2 kV 直流 (kV)直流) 474下午122KSP2 薄膜電容器，設(shè)計(jì)用于直接安裝在IGBT模塊上，以提供直流鏈路和濾波。

　　BLH 電容器的額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，額定電壓高于 +85°C 每 °C 降低 1.35%，符合 IEC 61071 和 AEC- Q200 的要求。474PMB122KSP2 等 474 系列電容器的額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +100°C，高于 +85°C 時(shí)，直流電壓每 °C 降低 1.5%，交流電壓降低 2.5%。

　　直流輸出濾波：這 944U 大電流薄膜電容器系列包括額定電壓為 800、1000、1200 和 1400 V 的器件直流，額定電容為 33 μF 至 220 μF，+55°C 時(shí) RMS 額定電流高達(dá) 75 A。 高紋波能力是這些金屬化聚丙烯電容器的低電感內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)果。它們采用直徑為 84.5 毫米 (mm) 的薄型 UL94V0 阻燃外殼封裝，底部帶有安裝法蘭和 M8 螺紋螺柱端子(圖 6)。根據(jù)額定值，表殼高度為 40 mm、51 mm 或 64 mm。

　　圖 6：944U 薄膜電容器的螺釘連接可用于印刷電路板或母線連接。(圖片來(lái)源：康奈爾杜比利埃電子)

　　結(jié)論

　　如圖所示，電動(dòng)汽車充電器需要多種電容器類型，以確保可靠和高效的運(yùn)行。Cornell Dubilier 提供多種電容器類型和安裝方式，以支持 1 級(jí)、2 級(jí)和 3 級(jí)應(yīng)用的高性能充電器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。