如何選擇并運(yùn)用電容器來(lái)確保電動(dòng)汽車充電器的高效性、可靠性和可持續(xù)性

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動(dòng)汽車 (EV) 充電器盡管電壓和功率水平不盡相同，但都依靠電容器來(lái)執(zhí)行直流輸入濾波、直流鏈接、交流諧波過(guò)濾、直流輸出濾波等功能，在一些設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容器要結(jié)合電池儲(chǔ)能和太陽(yáng)能逆變器一起使用。由于電動(dòng)汽車充電器通常位于戶外或其他惡劣環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)首先是確定電容器的性能特征，然后是選擇適當(dāng)?shù)碾娙萜黝愋鸵詽M足苛刻的可靠性要求。

設(shè)計(jì)人員需要確保電容器在物理上是堅(jiān)固的，具有較寬的工作溫度等級(jí)和較長(zhǎng)的工作壽命。電容器需要很緊湊，且能夠處理大的紋波電流而不會(huì)過(guò)熱或遭受性能下降，同時(shí)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，有些還需要滿足 ANSI/IEEE 18 標(biāo)準(zhǔn)。

為了滿足這些電路應(yīng)用的不同需求，設(shè)計(jì)人員可以使用各種電容器技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)，如電力薄膜電容器、鋁電解電容器和超級(jí)電容器（包括低電感設(shè)計(jì)）、具有高額定紋波電流、高工作溫度、自愈能力、符合 IEC 61071 要求的 AEC-Q200 級(jí)電容器，以及具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的超級(jí)電容器。

本文首先界定了各個(gè)充電級(jí)別的差異，并按照這些級(jí)別分別探討了太陽(yáng)能發(fā)電逆變器中電容器的電路應(yīng)用。然后介紹了 [Cornell Dubilier Electronics] 提供的適合各種電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)的輸入濾波、電力薄膜直流鏈路、交流諧波過(guò)濾和輸出濾波電容器以及超級(jí)電容器實(shí)例，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) 模塊的封裝選擇，以確保設(shè)計(jì)的成功。

電動(dòng)汽車充電級(jí)別和要求

電動(dòng)汽車充電級(jí)別有三個(gè)：1 級(jí)適用住宅充電，提供 120 V交流電交流充電能力；2 級(jí)同時(shí)適用住宅和公共充電，提供 208/240 V交流電的充電能力；3 級(jí)適用商業(yè)和公共充電樁，提供 400 至 900 伏 (V 直流 ) 直流快速充電和超級(jí)充電能力。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)的是，在太陽(yáng)能 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器會(huì)包括一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流 (DC-DC) 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)直流轉(zhuǎn)交流 (DC-AC) 逆變器。他們需要各種高性能的電容器，這些電容器是為在惡劣的電氣條件下使用而設(shè)計(jì)的，符合 AEC-Q200 和 IEC 61071 標(biāo)準(zhǔn)，包括圖 1 所示類型。

• 直流輸入濾波器和直流鏈路電容器：這些充電器需要低電感的直流輸入濾波器和直流鏈路電容器，已針對(duì)中等功率應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。使用容量值高達(dá) 1 法拉 (F) 或更高的電容器和低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 可提升充電器性能，并最大限度地減少了內(nèi)部發(fā)熱。
• 交流輸出濾波電容器：基于 IGBT 的開(kāi)關(guān)模式電力逆變器會(huì)產(chǎn)生高的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)行過(guò)濾。如果沒(méi)有充分的濾波，諧波就會(huì)使輸出的交流波形失真。
• 超級(jí)電容器：添加超級(jí)電容器對(duì) 1 級(jí)和 2 級(jí)太陽(yáng)能充電器特別有利，可以幫助系統(tǒng)減少日照變化的影響，因?yàn)樵茖幼璧K了相對(duì)較小的太陽(yáng)能電池板，會(huì)導(dǎo)致輸出功率變化過(guò)大。在這些系統(tǒng)中，峰值功率和平均功率之間的比率可以媲美純電池系統(tǒng)。超級(jí)電容器和電池的結(jié)合可以產(chǎn)生一個(gè)具有更高功率密度的系統(tǒng)。

圖 1：太陽(yáng)能逆變器電動(dòng)汽車充電器需要各種電容器和超級(jí)電容器。（圖片來(lái)源：Cornell Dubilier Electronics）

電容器在使用交直流電源轉(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鏈路電容器是更高功率的設(shè)備，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，與低功率設(shè)計(jì)器件相比，這些電容器通常采用不同封裝。例如，1 級(jí)和 2 級(jí)充電器中的低功率濾波電容器可以采用卡入式端子，以快速連接到 PC 板或可焊引腳上，而 3 級(jí)直流快速充電器中使用的電容器通常有螺紋端子，直接連接到大功率母線上。3 級(jí)充電器的輸入電容器可要求滿足 ANSI/IEEE 18 標(biāo)準(zhǔn)。
• 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)能充電器的交流諧波過(guò)濾電容器類似。它們吸收瞬變，并過(guò)濾由充電器的 DC-DC IGBT 開(kāi)關(guān)級(jí)產(chǎn)生的諧波電流，使輸出電壓更加平滑。這些電容器需要結(jié)合低 ESR 和高紋波電流能力。

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高電壓的元件。（圖片來(lái)源：Cornell Dubilier Electronics）

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

直流輸入濾波器：Cornell Dubilier 為設(shè)計(jì)人員提供了幾種鋁電解電容器選擇，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] 螺紋端子電容器，以及 [380LX/382LX] +85°C 和 [381LX/383LX] +105°C 卡入式電容器（圖 3）。DCMC 電容器的范圍從 110 μF 到 2.7 F，電壓高達(dá) 550 伏，工作溫度范圍為 -40°C 到 +85°C，并能處理高水平的紋波電流。380LX 型電容器在 +85°C 下滿載負(fù)載壽命為 3000 小時(shí)，而 381XL 型電容器在 +105°C 下滿載負(fù)載壽命為 3000 小時(shí)。380LX/382LX 和 381LX/383LX 電容器有 2、4 和 5 針樣式，支持在 PC 板上精確、可靠的安裝。

圖 3：381LX 和相關(guān)的電容器采用卡入式 PC 板連接。（圖片來(lái)源：Cornell Dubilier Electronics）

直流鏈接：為實(shí)現(xiàn)直流鏈接，設(shè)計(jì)人員可以選擇 550C 型鋁電解質(zhì)，如 [550C562T400DP2B]，和 947D 系列金屬化薄膜電容器，如 [947D601K901DCRSN]。550C 系列在典型應(yīng)用中的工作壽命超過(guò) 100,000 小時(shí)，在 +85°C 工作條件下壽命可達(dá) 20,000 小時(shí)。550C 電容器的 ESR 低至 7 毫歐 (mΩ)，采用螺紋端子，可連接到 PC 板或母線，并能處理高紋波電流。

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 7000 小時(shí)，在 +60°C 核心溫度和全額定電壓下的預(yù)期壽命為 350,000 小時(shí)。

交流輸出諧波過(guò)濾：為了在惡劣的環(huán)境中提供交流輸出諧波過(guò)濾，設(shè)計(jì)人員可以使用通過(guò) AEC-Q200 認(rèn)證的 [ALH 系列]交流濾波電容器。根據(jù)加速式 85/85 溫度-濕度-偏置 (THB) 測(cè)試，這些電容器與標(biāo)準(zhǔn)電容器相比，壽命提升了 50%。它們具有較高的均方根 (RMS) 電流額定值，因此適合處理高頻 IGBT 型逆變器中的高階諧波。電容范圍從 0.22 到 50 微法拉 (μF)，電壓為 160 到 450 V 交流電 ，頻率為 50/60 赫茲 (Hz)。這些自愈式金屬化聚丙烯薄膜電容器采用堅(jiān)固的板裝封裝（圖 4），工作溫度范圍為 -40℃ 至 +105℃。ALH 系列電容器在額定電壓下的預(yù)期壽命為 100,000 小時(shí)，熱點(diǎn)溫度為 +70℃。

圖 4：ALH 系列交流濾波電容器能夠在惡劣的環(huán)境中提供交流諧波輸出濾波，具有自愈功能，旨在通過(guò)通孔安裝在 PC 板上。（圖片來(lái)源：Cornell Dubilier Electronics）

超級(jí)電容器：針對(duì)需要超級(jí)電容器所能提供的瞬時(shí)爆發(fā)力的設(shè)計(jì)，Cornell Dubilier 推出了 [DGH 系列]和 [DSF 系列]。DGH 系列包括 21 種不同的數(shù)值/電壓組合，電容范圍從 0.5 到 600 F，額定工作工流電壓從 2.7 到 5.5 伏 ( 直流直流 )。DSF 超級(jí)電容器單元件可提供較高的 3.0 WV 直流 ，雙元件則可提供 6.0 WV 直流 （圖 5）。這種較高電壓規(guī)格使得能量密度提高了 24%。DSF 系列包括 17 種不同的值/電壓組合，電容范圍從 1.5 F 到 600 F。這兩個(gè)系列額定充放電次數(shù)均達(dá) 500,000 次。它們可以選擇通孔引線或卡入式引線，方便集成到 PC 板中。

3 級(jí)充電器電容器

交流輸入和諧波過(guò)濾：為了實(shí)現(xiàn) 3 級(jí)直流充電器支持的高功率水平，設(shè)計(jì)人員可以使用 PFCH 系列三相串聯(lián)電容器，如 [PFCHX48D20S108T]，其額定值為 76.8 μF 和 480 V 交流電 ，設(shè)計(jì)用于交流輸入諧波過(guò)濾。這些電容器由三個(gè)自愈式金屬化聚丙烯纏繞而成，它們以三角結(jié)構(gòu)連接，并被封閉在一個(gè)圓柱形的鋁殼中。其額定工作壽命為 60,000 小時(shí)，存活率為 94%，等級(jí)失效時(shí)間 (FIT) ≤300 X 10^9^ 元件小時(shí)。它們包括一個(gè)壓力中斷器，在電容器報(bào)廢或過(guò)載的情況下讓所有三相電源脫開(kāi)。它們符合 ANSI/IEEE 18 標(biāo)準(zhǔn)，按照 UL 810，其最大短路電流等級(jí)為 10 千安培 (kA)。

直流鏈接：直流鏈接電容器的選擇包括為 PC 板安裝而設(shè)計(jì)的 [BLH 直流鏈路]電容器（經(jīng)測(cè)試在 +85℃ 溫度/ 85% 相對(duì)濕度下施加額定電壓的連續(xù)工作壽命為 1500 小時(shí)）以及像 0.47 μF、1.2 千伏直流 (kV 直流 ) 的 [474PMB122KSP2]的 474 系列薄膜電容器，后者設(shè)計(jì)成直接安裝在 IGBT 模塊上提供直流鏈接和濾波。

BLH 電容器的額定工作溫度為 -40°C 至 +105°C，在 +85°C 以上時(shí)額定電壓每 °C 降低 1.35%，它們符合 IEC 61071 和 AEC-Q200 要求。474PMB122KSP2 所屬的 474 系列電容器的額定工作溫度為 -40℃ 至 +100℃，超過(guò) +85℃ 時(shí)，直流電壓下降 1.5%，交流電壓下降 2.5%。

直流輸出濾波：[944U] 系列大電流薄膜電容器提供 800、1000、1200 和 1400 V直流額定電壓選擇，額定電容為 33 μF 至 220 μF，+55°C 時(shí)額定 RMS 電流高達(dá) 75 A。高紋波能力是因?yàn)檫@些金屬化聚丙烯電容器的低電感內(nèi)部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的結(jié)果。它們封裝在一個(gè)低矮的 UL94V0 阻燃級(jí)外殼中，直徑為 84.5 毫米 (mm)，底部有安裝法蘭和 M8 螺紋螺柱端子（圖 6）。根據(jù)額定值的不同，外殼高度有 40 mm、51 mm 或 64 mm。

圖 6：944U 薄膜電容器的螺紋連接可用于 PC 板或母線連接。（圖片來(lái)源：Cornell Dubilier Electronics）

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電動(dòng)汽車充電器需要各種類型的電容器，才能確?？煽亢透咝У倪\(yùn)行。Cornell Dubilier 提供了廣泛的電容器類型和安裝方式選擇，可支持 1、2 和 3 級(jí)高性能充電器的設(shè)計(jì)和制造。