電動(dòng)車逆變器大容量電容器：用3μm以下的薄膜做（上）
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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混合動(dòng)力車（HEV）及電動(dòng)汽車（EV）上采用輸出功率高達(dá)數(shù)十千瓦～一百數(shù)十千瓦的馬達(dá)。電壓也高達(dá)數(shù)百伏，所以需要能夠驅(qū)動(dòng)它的逆變器。指月電機(jī)制作所于2010年開發(fā)出了在這種逆變器中不可缺少的、用于平滑電壓的薄膜電容器。容量從500μF到1300μF左右。額定電壓高達(dá)600V，與2007年開發(fā)的原產(chǎn)品相比，額定電流增至以往產(chǎn)品的4倍（表）。該產(chǎn)品已被日立汽車系統(tǒng)公司采用，現(xiàn)在提供給大型汽車廠商的混合動(dòng)力車使用。
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通過薄膜電容器滿足大容量、高電壓需求
逆變器可將來自電池的直流電通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成變動(dòng)較小的電壓，再通過名為絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的開關(guān)元件轉(zhuǎn)換成近似于交流電的矩形波（圖1）。開關(guān)頻率快至十?dāng)?shù)kHz～數(shù)十kHz，由此產(chǎn)生的浪涌電壓很大。這種浪涌電壓與開關(guān)元件的輸入電壓重疊，便會(huì)產(chǎn)生尖峰（變動(dòng)）。為了減少這種尖峰，需要采用平滑電容器。
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| 圖1：為了保護(hù)開關(guān)元件，平滑電容器必不可少 變動(dòng)較大的電壓施加到開關(guān)元件上之后，最壞的情況下，元件會(huì)損壞。通過平滑電容器吸收電壓變動(dòng)，以便向元件供給穩(wěn)定的電力。 |
逆變器的電流高于100A，平滑電容器需要1000μF左右的大容量。而且，必須支持500V以上的高電壓。為了提高馬達(dá)及逆變器的效率，現(xiàn)在的混合動(dòng)力車更傾向于提高電壓。例如“普銳斯”，將施加在馬達(dá)上的電壓從第2代車型的最大500V提高到了最大650V。
電解電容器需要大出一個(gè)數(shù)量級(jí)的容量
通常，大容量電容器采用鋁電解電容器。第一代普銳斯的平滑電容器就是如此。如果按平均1μF的制造成本來看，多數(shù)情況下鋁電解電容器要比薄膜電容器便宜。但是如果逆變器的電壓進(jìn)一步提高，則鋁電解電容器難以對(duì)應(yīng)。目前投入實(shí)用的1000μF左右鋁電解電容器的耐壓約為500V左右，因此必須使電壓比該數(shù)據(jù)更低。這樣要想在混合動(dòng)力車上使用，就必須將兩個(gè)鋁電解電容器串聯(lián)起來。
另外，由于離子會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因此，鋁電解電容器的響應(yīng)性一般較低，要支持在數(shù)十kHz頻率下的接通或者斷開產(chǎn)生的電流會(huì)比較困難。要使其在高頻下支持100A以上的電流，或許必須準(zhǔn)備額定容量為10000μF左右、相差一個(gè)數(shù)量級(jí)的產(chǎn)品。如果響應(yīng)性較低，在電荷積聚完成之前就會(huì)開始放電，因而無法用盡容量。而且容量達(dá)到10000μF時(shí)，鋁電解電容器在成本方面的優(yōu)勢(shì)也會(huì)減弱。
于是，薄膜電容器便成了主流。這是因?yàn)楸∧た梢圆捎媚蛪杭邦l帶較高、等效串聯(lián)電阻（ESR）較低的聚丙烯（PPC）材料制作。
用于混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車的平滑電容器要滿足支持高電壓和高頻這兩個(gè)條件，就必須（1）實(shí)現(xiàn)小型化、（2）提高耐熱性、（3）提高安全性。
為了實(shí)現(xiàn)（1）提及的小型化，此次指月電機(jī)制作所將單位體積的容量密度比以往產(chǎn)品提高了15％左右。2007年的產(chǎn)品的薄膜厚度約為3μm，而此次薄膜的厚度則更?。▓D2）。由于是在電極之間夾持薄膜后制成電容器元件，因此薄膜越薄，電極間的距離就越短，從而可在減小體積的同時(shí)提高容量。
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| 圖2：厚度薄、耐壓高的聚丙烯薄膜 東麗以及王子特殊紙兩公司均有生產(chǎn)。 |
制造的流程如下。首先，在真空中向聚丙烯薄膜的一個(gè)面上蒸鍍鋅（Zn）及鋁（Al）之類的金屬，制成電極。將2枚這種薄膜重疊卷起來，便可制成在兩個(gè)電極間夾著作為介電體的薄膜的電容器。蒸鍍以將薄膜貼在金屬滾筒上、轉(zhuǎn)動(dòng)該滾筒以揭取薄膜的方式進(jìn)行（圖3）。在貼于滾筒的薄膜上，在400℃的融點(diǎn)溫度下將鋅、在1200℃的融點(diǎn)溫度下將鋁熔化后進(jìn)行蒸鍍。滾筒預(yù)先冷卻至-20～＋25℃。（特約撰稿人：藤原 祐紀(jì)，指月電機(jī)制作所第一業(yè)務(wù)本部第2開發(fā)部部長(zhǎng)）
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| 圖3：既快又薄且均勻地進(jìn)行蒸鍍 在薄膜上蒸鍍鋅及鋁的情形。實(shí)際上是在真空中進(jìn)行。高速旋轉(zhuǎn)滾筒，1小時(shí)即可制成30千米的蒸鍍薄膜。 |
評(píng)論