电力薄膜电容在新能源市场的应用
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本文整理自雷度电子技术专家陈祝明在2012新能源应用开发者论坛上 的演讲，更多精彩方案尽在2012新能源、工业与嵌入式应用开发者论坛

各位下午好！首先自我介绍一下，我是雷度电子工业事业部经理陈祝明。很高兴今天下午能够跟大家一起共同探讨一下电力薄膜电容在新能源市场的应用。

当然在这个演讲中，我会从以下几个方面阐述这个问题。一个是薄膜电容的材料，第二是它的结构，第三是它的比较典型的应用市场。首先在讲薄膜电容之前，我要首先介绍一下雷度电子这个公司，雷度电子是福建火炬电子下面的全资子公司，火炬电子是中国军品陶瓷电容的供应商，也有25年历史了。为了更好服务客户，公司也成立了一个贸易的部门，被称之为雷度电子。雷度电子也有超过10年的代理经验，我们现在主打的几条产品线，主要是来自欧洲、美国和日本。同时我们还有一些新的合作伙伴，一些半导体的，包括北车的，也是我们合作比较好的伙伴。这个是公司的发展历程，这是公司的组织结构，我是IBG的部门。这是我们跟中国合作比较久的稳固的客户，工业市场上我们有外资的，这些都是比较长的客户。这都是我们关心合作比较久的客户。上面就是比较简单的介绍一下雷度这个公司。现在我就开始介绍一下薄膜电容的技术和产品。
近几年时间，我想特别是从04、05年以后，整个新能源市场在中国的发展是非常迅速的，最开始是以东电，其后是太阳能，传输设备，传统的像变频器、UPS等等，这些工业设备在中国发展比较迅速的。无论你是做大功率还小功率，电容这个产品一定需要用到。对于大功率的设备来说，你使用大功率电容机会就比较多，越来越多的供应商会比较倾向使用大功率的薄膜电容，现在在大规模的薄膜电容上面，使用的材料有两类，一这是聚丙烯，一类叫做PET这两种材质，这两种材质是做工业薄膜电容最主要的材料。它也有一些区别。

大功率的主要用PET，聚酯材料来说有好的特性，也有比较高的电压，第二是损耗特别小，还有一个特点就是它有良好的治愈性能。PET材料主要用在中小工业上面。其他一些材料是用在其他的薄膜电容上面，有非常特殊的性能，刚才提到很多工业设备上，实际上电压是非常高的。整个单个电器电容有好几千伏等等，满足这种电压要求，客户会选择薄膜电容，也是一个原因，一般来说薄膜电容的承受非常高的电压。目前这种产品最高的电压能够做到10万伏。其原因是聚丙烯的材料耐热非常高，如果做高电压的产品，可以增加厚度，第二，不会一味提高它的厚度，跟材料成本还是有关，第二实现高压方式可以用膜表现串联的方式提高整个产品的电压。这样就实现了大功率薄膜电容高压的特性。刚才提到聚丙烯这种材料有一个非常好的特点，就是非常好的治愈性能。从结构上说，原来我们称之为塑胶，会喷一层金属奠基，它是金属溅射的工艺来做的，在表面会有一些瑕疵。如果把这种材料做成产品的时候，有非常高的过电流，在弱点的时候，电流非常大，这种高热量造成把喷的那一层挥发掉，挥发的同时会吸收非常大的能量，使整个产品相对来说是安全的。这就保证了大功率薄膜电容的安全性，挥发的同时会形成非常严密的绝缘保护区，这个特性是整个大功率薄膜电容非常重要的特性。


金属化薄膜用了三四年时间还可以用，很大的原因就是基于这种治愈性能的特性体现出来了。刚刚提到它的治愈性能，只是说像低能量的保护，如果说你的过压或者过载，使你的能量太大了，太多了也有可能造成产品失效，为了解决大能量的过载或者过压、过流的状况，一些薄膜电容供应商就从它的结构上去改善这种结构，我们称之为说是保险丝的单元，早期的时候是没有的，是在材料上直接喷射一层平板的铝，后来有保险丝结构，这种保险丝结构更大的提高了薄膜电容的可靠性和安全性。我把这个图形细分了，从原理上来讲这种我们称之为保护单元的结构原理，这个蓝色部分你可以认为它上面有金属的铝，白色是我们特意做的一个保险丝结构，如果有非常大的电流过来的时候，在这个结构上，这个面积最小，电流密度最大，发热的热量是最高的，这样刚才有提到它的治愈性能就把这个地方烧烂，同时还是会吸收非常大的能量，这一部分的能量会降低，对安全性能没有什么太多的影响。

这个是它的等效电路的示意图，这种我们是有一个试验，来验证这种保险丝的结构对产品安全性的影响，在标准当中，它有一个过电压的试验，基本上从额定电压开始，每50V加电压，加一分钟，最后电容容量一直降为零，已经没有容量了，也就是所有都断开了，但是电容还是没有爆炸，还是安全的。这就是这个保护单元，我们称之为这个结构对这个产品造成的更高的安全性和可靠性的结构。我们在设计的时候，实际上我们会取这个产品安全区域，就是说在这个安全区域以内做设计，当然我刚才也说，因为这个产品时效重点体现在容量下降，我们会有设计的基准，一般来说，对于薄膜电容来说，如果容量下降到原来的5%，我们就认为这个产品已经失效了，但是失效并不代表这个产品不能用，从5%到以后下降到几十%的时候，这个时间我们没有办法控制，所以我们建议如果说这个电容的容量下降到原来 5%的时候，你就最好换一个新的或者说什么样子的，但是这个时间是很久的。

我记得早期，我曾经受了一个案子，是香港地铁，香港地铁很早，从82年的时候从法国进了第一批车，从82年一直到2007年的时候，一共是25年的时候，那个时候香港MTI就找到我，让我们评估这个产品还能用多长时间，我有把这个产品送到法国做分析，这个看出来大功率薄膜电容真的是能用到二三十年的时间。但是我们分析的结果，它的容量仅仅才下降到4%，所以我还可以评估出来还可以用多久等等。
我刚刚有讲到说，这种大功率薄膜电容，有二三十年使用寿命，有效的使用时间。我们设计的时候，怎么做到呢？这个产品寿命跟两个因素有关，一个是热电温度以及使用电压，电力电池薄膜电容有一个设计基准，这个设计基准第一个就是70多点的热点温度，在这两个条件下，它是有十万小时使用时间，也就是说是大约13 年的时间，这是一个标准的设计，我们也可以根据客户的要求，比方说在高铁上，需要更长时间，需要达到30年，我就可以改变一下设计，让它的寿命达到30年的寿命，我在光伏上面需要20年的时候，用另外一种产品设计方式满足客户要求，当然这个是一种特殊的设计，通用的产品来说，我们就按照这种标准，1：1使用的电压和使用寿命，所有产品都能给客户保证。

我刚刚有提到说对于产品寿命来说，最重要两个因素是电压和热点温度，电压是很好控制，产品电压是多少，在产品当中会给非常明显的标识，应用电压是多少，客户很清楚。比较困难评估的就是我们称之为热点温度这个值，首先什么是热点温度，热点温度我觉得对整个功率器件，不只是电容，电容我们可以说是热点温度，对于大功率器件来说叫做节温，热点温度是来自来方面，一个就是你的环境温度，第二是本身自身的损耗，大功率器件本身自己的损耗所产生的温升，这两部分所得到的就是热点温度。热点温度这个值最高温度这个值，对所有功率器件影响是非常非常大的。你怎么样控制热电问题，我觉得对于你整个产品的设计是非常至关重要的。怎么得到这个热点问题呢，我们会有两种方式，一种我们直接用测量的方式，我们给一个温度的传感器，叫做电压的传感信号，直接做测量，电容供应商直接装好，热探头来测。

我们也可以提供这种样品给客户做测试，如果你不想做测试，我们可以通过计算的方式，当然计算的方式，首先来说是一个近似的，不是一个精准的计算，首先我知道你的电流、电压，通过一系列的计算得到这个热点温度，当然这个计算是近似的，上面很多参数不能得到非常准确，因为在不同频率下面是样的，RTH也不一样，在不同条件下热阻是不一样。计算出来是近似的。所以现在在近几年，像太阳能、光伏、风电、直流输变电这些，直接提供做测试，比较精准的评估你的这个产品、这个薄膜电容在我的设备使用多少年，能不能达到三十年或者四十年寿命设计的要求。我刚才所讲的，从整个产品的设计和材料上跟大家分享的这种大功率的薄膜电容它的特性。因为它和半导体不太一样，它的材料和结构设计是对它的影响非常大的。下面一部分要讲的就是结构的那一部分。一般来说，现在对于大功率薄膜电容所使用的技术无外乎就是这六类，上面我们称之为是转绕式，传统的转绕式，下面是叠层式，这个转绕式是标准的，第二是铜芯轴式的产品，主要是三向交流电为主，定制的转绕式，GE有一个案子就用到新能源汽车的控制器上，可以安装在马达上，空间的有效利用率是非常高。下面这些是做方块产品，不同的是有标准的转绕和叠层式。圆圈状的产品是非常标准的，基本上很多公司都可以做，但是这种方块的产品，应该说还是需要一定的技术含量的。

我觉得在目前中国国内的公司能够生产的不是很多，在这里重点介绍柔性的转绕技术和叠层技术的差别。实际上他们都是方块的叠层技术，中间有细微的差别，第一是来自产品电压。转绕耐压比较高，可以做到10万伏，这个可以做到630V，低于630V这个值。第二是它的容积率，有大于5%的损耗，这个基本上一点没有损耗，可以达到5%，这种叠层式的一般用在新能源汽车，它的控制器上面对体积要求非常非常高。我知道日本和韩国的公司，对体积要求达到什么程度？电容外壳已经不要了，直接把芯子和IGBT或者跟设备相融，这种叠层式的大多用在新能源汽车上。除了结构以外，里面填充的技术，这个主要是近几年时间，特别是从 08年开始，在中国一个新型的产品就是柔性的输配电，这是一种新的输配电方式。它要求非常高。这种技术有三类，要么气体、要么这两种。因为涉及到安全性和环保。这是三种不同的方式，他们当中会有一些细微的差别，但是这种数据不是绝对的，因为随着数据不断的进步，或者是改善，这种可能会有一些改变。总体来说，这种应该都是用在大功率的厂，特别是用在使用条件非常恶劣的，比方说高铁的牵引，它的功率也是非常非常大。这是三种不同的技术，我就不太想讲非常细节性的差别。

我刚才主要说了在制造上的，这种大功率薄膜电容它的一些种类和他们之间技术上的一些差别。当然刚才有提到，它的使用范围非常广，在所有新能源市场你一定离不开它，根据功率等级高低，你会选择不同的形态、不同的种类产品。可以这样说，无论你是任何功率的产品，你需要任何形态的，我们都可以去提供相应的产品，而且在这种类似的市场，我们都有非常成功的案子，可以提供客户参考。比如说像机车，中国南车北车是非常重要的客户，高铁牵引上面，薄膜电容都是我们在提供。第二在一些马达上面，无论你用到交流滤波，我们提供交流滤波产品，如果是三相交流滤波，我们也可以提供三相交流滤波，直流滤波也是，我们可以提供不同形式的薄膜电容，如果做吸收用的，也可以提供像这种，连在IGBT上面，保护IGBT。这个风电，这两年变得比较弱一些，从06年那个时候开始，很多国外风电公司，他们都有进入到中国市场，也有中国很多本土的公司，在这中间做得非常出色。


在整个逆变器上面，只要用到电容上面，无论是用的交流电，无论想用单向还是三相，我们都可以提供，DCLINK也是一样，无论圆柱状一样，方块状一样，我们都可以提供相应的产品形态给顾客做选择。所以整个逆变器上，主要电力电池功率电容上面，都有非常多的产品形态可以供选择。现在在中国，以大功率的500 千瓦这种功率等级的占主要的。用圆柱状的用得相对比较多。
在新能源汽车上，刚刚有说，新能源汽车在中国也是经历了很长时间。我记得01年的时候，中科院电工所他们就开始做方案，一直到04年、05年的时候，比亚迪成型的车出来，在中国也走了十多年时间，到现在这个市场，它的量没有想象得那么大，但是一定是一个趋势。你需要做新能源汽车，你一定需要控制器，因为它是新能源汽车当中非常核心的部件，控制器、IGBT、电容是最重要的器件。控制器的主方案商都有非常成熟的方案提供给客户，我们也配合他们，他们出方案上面，都有相应配套的产品，你可以在他们这些控制器方案上面都能找到我们的产品，都会推荐哪个型号，都可以找到我们的产品。这是非常重要的一个市场。 刚刚有提到说近几年在中国输配电市场是非常红火的，这个就是高压的输配电，一种新的输电方式，中国好几家公司从事这个产品，可能走得比较早的中科院的电工所、南瑞，他们都是拿到实实在在的国家项目，在这上面，IGBT和大功率薄膜电容也是两个重要的器件，我们也有很成熟的产品可以满足更多的要求。刚刚有讲到，在整个讲解过程当中，一直提到这种薄膜电容所能提供的比较有优势的地方，这种优势当然就是跟电解电容相比较的，因为电解电容很多人都是比较熟悉，因为时间很久，差不多  3、40年的时间，薄膜电容也就是十几二十年的时间，所以相对来说，这种大功率薄膜电容有自己的特点，可以做到10万伏，电解电容只是600伏，它有非常好的过电压能力。它的寿命普通标准就是10万小时，可以根据要求做设计，三四十年都是可能的。有些工程师认为成本是很贵的。

有个例子，如果说要达到6、90伏30安培的电容，可能有两种方案可以提供。我在选择的时候，你还要满足第二个要求，两串，如果薄膜电容需要一个就够了。这四个成本远远高于这一个薄膜电容，包括空间、热设计等等这些方面。如果使用薄膜电容，优势体现得非常非常明显。很多设备，像刚才提到的风电、太阳能，基本上大家都选择薄膜电容，这也是非常重要的原因。今天的讲解就到这里。