作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自上?？萍即髮W(xué)潘其山的投稿。

電容的高故障率是電力電子系統(tǒng)可靠性問題的一大來源，其中電解電容短壽命的特點尤為突出。然而，追求可靠性的本質(zhì)是追求產(chǎn)品全壽命周期成本的最優(yōu)，從這一角度出發(fā)，可靠性不高的電解電容也許在某些應(yīng)用中更加“可靠”。不同類型的電容特性差距甚遠(yuǎn)，如何根據(jù)需求取舍、權(quán)衡其中的利弊關(guān)系，體現(xiàn)了工程學(xué)科的精髓。隨著技術(shù)進(jìn)步與迭代，電力電子系統(tǒng)將不斷地逼近其最優(yōu)可靠性點。

01

電力電子系統(tǒng)的可靠性需求

1957年晶閘管的發(fā)明開創(chuàng)了電力電子新時代。從那時起，電力電子就發(fā)揮了其最大潛力，在發(fā)電（風(fēng)電、光伏等）、輸電（柔性直流輸電等）、配電（固態(tài)變壓器、直流微網(wǎng)等）和用電（電動汽車充電、電機(jī)驅(qū)動、LED照明、消費電子等）應(yīng)用中迅速發(fā)展。隨著電路拓?fù)?、控制方案?a target="_blank">半導(dǎo)體器件、無源元件、數(shù)字信號處理和系統(tǒng)集成技術(shù)等方面的深入研究和進(jìn)步，電力電子系統(tǒng)的性能，特別是效率和功率密度不斷提高。

近年來，由于安全需求，汽車和航空航天工業(yè)對電力電子系統(tǒng)的可靠性提出了嚴(yán)格要求。另一方面，使用過程中的高故障率將導(dǎo)致高的維護(hù)成本，因此，其他工業(yè)和能源行業(yè)也遵循著相同的趨勢[1]。

以大型光伏電站為例。在光伏電站中，光伏逆變器用于有效地將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。逆變器廠商目前可以提供超過20年的質(zhì)保。然而，2012年光伏逆變器的平均使用年限在5年左右。因此，盡管逆變器只占初始系統(tǒng)成本的10-20%，但在光伏系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)，逆變器可能需要更換三到五次，引入了額外的維護(hù)成本。根據(jù)2001年至2006年大型光伏電站的維護(hù)經(jīng)驗，逆變器造成了37%的計劃外維護(hù)和59%的維護(hù)成本[2]，如圖1所示。

圖1. 3.5 MW光伏電站維護(hù)經(jīng)驗(a)子系統(tǒng)計劃外維護(hù)事件占比(b) 子系統(tǒng)維修費用占比

02

電力電子系統(tǒng)中電容的高故障率

電容器廣泛應(yīng)用于電力電子變換器，以實現(xiàn)開關(guān)頻率和工頻尺度下的濾波，平衡輸入源與輸出負(fù)載之間的功率差，提供穩(wěn)定的直流電壓。在某些應(yīng)用中，他們也用于在保持時間內(nèi)提供足夠的能量。

然而，作為最常用的無源元件，電容器也是最脆弱的電力電子系統(tǒng)元件[3], [4]。圖2顯示了電力電子系統(tǒng)的故障原因分布?？梢宰⒁獾剑娙萜鲗?dǎo)致的電力電子系統(tǒng)故障比例甚至超過了半導(dǎo)體器件。

圖2. 電力電子系統(tǒng)主要部件的故障分布

03

電力電子系統(tǒng)的濾波電容

最常見的用于電力電子系統(tǒng)濾波的電容包括鋁電解電容（Al-Caps）、薄膜電容（MPPF-Caps）、多層陶瓷電容（MLCC）三種。這三種類型的電容器表現(xiàn)出特定的優(yōu)點和缺點，圖3從不同方面對其性能進(jìn)行了定性比較[5]。

鋁電解電容可以實現(xiàn)最高的能量密度和最低的單位能量成本。然而，它具有相對較高的ESR，低紋波電流額定值，以及由于高溫下電解液蒸發(fā)而導(dǎo)致的壽命問題。

多層陶瓷電容具有更小的尺寸，更寬的工作頻率范圍和更高的工作效率溫度（達(dá)到200℃）。然而，它們的成本較高，對機(jī)械應(yīng)力敏感。

綜合考慮成本、ESR、容值、紋波電流與可靠性，薄膜電容是500 V以上的高壓應(yīng)用的最優(yōu)選[5]，盡管其存在體積較大、最高工作溫度不高的特點。

圖3. 三種主要電容器的性能比較

目前，在高壓應(yīng)用中針對開關(guān)頻率濾波的電容多為薄膜電容，因為高頻濾波對電容容值要求不高，而對電容的紋波電流耐受能力、ESR、頻率特性以及可靠性要求更高。

然而，電力電子系統(tǒng)中電容的另一個重要功能是針對工頻功率的濾波。工頻濾波電容往往是電力電子系統(tǒng)中的直流母線電容，圖4展示了具有直流母線電容的電力電子變換器的典型架構(gòu)。這些典型架構(gòu)涵蓋了風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動、電動汽車和照明系統(tǒng)等應(yīng)用。

圖4. 帶直流母線電容的電力電子變換器的典型架構(gòu)：

(a)帶直流母線的AC-DC-DC或DC-DC-AC電力電子變換器

(b)帶直流母線的AC-DC-AC電力電子變換器

(c)帶直流母線的AC-DC或DC-AC電力電子轉(zhuǎn)換器

以其中典型的單相AC-DC-DC變換器為例，AC輸入端口的功率為平均功率和二倍工頻交流功率之和，而DC端口的功率為直流功率，其值等于交流端口的平均功率。

交流端口和直流端口不匹配的二倍工頻交流功率由直流母線電容吸收，導(dǎo)致直流母線上存在紋波電壓，紋波電壓與直流母線電容的關(guān)系如下[6]

為了保證足夠小的直流母線上的電壓紋波，往往需要毫法級的母線電容。用于工頻功率濾波的母線電容往往由電解電容構(gòu)成。最近發(fā)表在TPEL期刊上的兩篇文章[7], [8]統(tǒng)計了超過20家廠商的超過60萬個電容的數(shù)據(jù)，解釋了直流母線電容多為電解電容的原因，并提供了定量且詳細(xì)的母線電解電容選取指南。

鋁電解電容在50-1000V的電壓等級下具有最大的容量，如圖5所示[7]。另外，與薄膜電容和陶瓷電容相比，鋁電解電容具有最高的能量密度（無論是從體積角度還是質(zhì)量角度）與最低的單位能量成本。然而，鋁電解電容的RMS電流額定值較低，高溫耐受力差，可靠性和壽命相對較差[7]。

綜上所述，從電壓紋波最小的角度出發(fā)，必然得到母線電容選擇電解電容最優(yōu)的結(jié)論，因為容值要足夠大。母線電解電容用量大與電解電容本身壽命短共同導(dǎo)致電力電子系統(tǒng)中電容故障率高最高。（此處為作者個人觀點，但電解電容壽命短是公認(rèn)的事實）

圖5. 對采用各種技術(shù)的商用電容的額定電容C與額定直流電壓Vr的總結(jié)，包括鋁電解、鉭電解、I類陶瓷、II類陶瓷、薄膜和電解雙層電容器(EDLC)。

考慮直流母線電容還可以從電流紋波的角度出發(fā)，在單相AC-DC-DC系統(tǒng)中，假設(shè)母線電容吸收了所有輸入輸出端的不平衡功率，則其電流紋波幅值將與母線電流平均值完全一致。考慮該高紋波電流，薄膜電容的性能遠(yuǎn)超鋁電解電容。

如圖6所示，三種電容器的紋波電流能力大致與其電容值成正比。對于高紋波電流應(yīng)用，鋁電解電容由于A/μF較低，在小容值下無法承受高紋波電流應(yīng)力。而實現(xiàn)相同的紋波電流耐受能力，薄膜電容的容值遠(yuǎn)小于電解電容。以紋波電流(即$/A)計算，薄膜電容的成本約為鋁電解電容的1/3[5]，體積也遠(yuǎn)小于鋁電解電容。同時，薄膜電容的壽命是電解電容壽命的數(shù)十倍。這意味著在高紋波電流應(yīng)用(如電動汽車電機(jī)驅(qū)動)中，使用薄膜電容實現(xiàn)低成本、高功率密度、高可靠性的直流母線設(shè)計的可能性[9]。

圖6. 紋波電流與電容容值之間的關(guān)系[5]

實際上，目前的產(chǎn)品級單相AC-DC-DC系統(tǒng)設(shè)計過程中，小直流母線電壓紋波是首要的設(shè)計考慮因素（因為這可以大大簡化設(shè)計過程），大直流母線電容值幾乎是必選項。因此，鋁電解電容成為直流母線電容的最優(yōu)選，而大容值的鋁電解電容也能提供所需的紋波電流能力。盡管使用薄膜電容可以很容易達(dá)到所需的紋波電流值，然而因為容值小，直流母線電壓紋波將大大增加，這是目前的產(chǎn)品設(shè)計中要避免出現(xiàn)的。

04

消除直流母線電解電容

大容量直流母線電解電容帶來的成本上升、功率密度下降、故障率提高（電力電子系統(tǒng)可靠性變差，壽命縮短）的問題得到了廣泛關(guān)注，在光伏逆變器、LED驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用中提出了各種方案以消除直流母線的大電容需求[10], [11]。

與薄膜電容用作母線電容相比，鋁電解電容用作母線電容的優(yōu)勢在于容值大，因此母線電壓紋波小，可以實現(xiàn)直流母線前后級設(shè)計和控制的完全解耦。學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了各種各樣的有源功率解耦方案來降低母線電容容值的需求，其基本原理是將單相AC-DC-DC系統(tǒng)輸入輸出端不匹配的功率轉(zhuǎn)移到第三端口，利用第三端口的大電壓紋波降低容值需求，實現(xiàn)薄膜電容取代電解電容。

然而，有源功率解耦實現(xiàn)薄膜電容用作母線電容的方案相比于原本的電解電容用作母線電容的方案大大增加了設(shè)計難度，并且使用了額外的有源器件，設(shè)計制造成本大大上升。其應(yīng)有的可靠性提升收益因為更多器件的加入而有所衰減。

05

結(jié)論

考慮電力電子系統(tǒng)可靠性的最終目的是實現(xiàn)系統(tǒng)壽命周期成本的最優(yōu)。如圖7所示，電力電子系統(tǒng)可靠性的提升需要設(shè)計與制造成本的持續(xù)投入，可靠性的提升可以降低后期維護(hù)成本。設(shè)計制造成本與維護(hù)成本之間的權(quán)衡體現(xiàn)了工程學(xué)科的精髓所在。

圖7. 可靠性對成本的影響[1]

將電力電子系統(tǒng)中的電解電容替換為薄膜電容是提升系統(tǒng)可靠性的有效途徑，然而并不一定是實現(xiàn)系統(tǒng)壽命周期成本最優(yōu)的有效途徑。

電解電容可靠性不高，卻并不意味著其“不可靠”，在壽命需求短或維護(hù)成本低的應(yīng)用場合，將電解電容用作母線電容可以大大降低設(shè)計復(fù)雜度。薄膜電容可靠性高，壽命長，也并不意味著其可以在所有應(yīng)用場景下替代電解電容，在直流母線上直接應(yīng)用薄膜電容會帶來額外的研發(fā)設(shè)計成本。

在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，已經(jīng)有成熟的薄膜電容替代電解電容的方案，這種“成熟”不是一蹴而就的，全球市場的成本競爭自然決定了該應(yīng)用下可靠性繼續(xù)提高的需求。而手機(jī)充電器、小型LED驅(qū)動等應(yīng)用中的母線電解電容預(yù)計將難以被薄膜電容取代，這是出于設(shè)計制造成本與維護(hù)成本的綜合考慮。

在作者涉足的電動汽車充電機(jī)領(lǐng)域，電解電容仍然是直流母線電容的主流選擇。該應(yīng)用下電解電容是否“可靠”需要學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)共同判斷。作者堅定地認(rèn)為，在不增加系統(tǒng)總體成本，不犧牲系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)薄膜電容替代電解電容的技術(shù)方案將在這場全球市場的成本競爭中成為“最終贏家”。