随着太阳能电池板和电动汽车（EV）的广泛应用，其电力系统依赖于DC/DC转换器和DC/AC逆变器，这些设备需借助电容器来抑制低频纹波、滤除导致电磁干扰（EMI）的高频成分，并吸收瞬态负载电流以防止影响电源正常工作。
此类电力应用中的电容器需具备高可靠性、紧凑体积、轻量化、长寿命和优异的高频性能。虽然薄膜电容器是这些电源应用的一个好选择，但设计人员必须了解它们的结构和特性才能选择正确的器件。
本文简要概述了薄膜电容器，并以伊顿电子的产品为例，探讨薄膜电容器在电源应用中的选择和使用。
一、薄膜电容器简介
图1：薄膜电容器由一个绕制铁芯组成，铁芯内包含交替的金属层和介电层，并密封在保护性塑料外壳内。图片来源：伊顿电子事业部
虽然薄膜电容器的能量密度相对较低，但它们具有高电容密度和其他一些特性。
首先，薄膜电容器是无极性的，可用于交流和直流电路。其次，其干燥的固体介质比使用液体或半液体电解质的电容器具有更高的可靠性，并且具有稳定的电容值和优异的温度稳定性。
另外，较低的等效串联电感 (ESL) 和等效串联电阻 (ESR) 有助于有效处理高纹波电流，使薄膜电容器非常适合高频应用。
薄膜电容器最重要的特性或许是其自愈能力。如果发生介质击穿，会形成局部热点，使相邻金属汽化，形成不导电的孔洞，从而使电容器恢复正常工作，延长其使用寿命。
二、薄膜电容器类型
薄膜电容器针对特定应用而设计，常见类型包括安全型、直流链路型、交流滤波型和脉冲型。
安全型薄膜电容器旨在衰减交流线路滤波应用中的传导电磁干扰。许多国际安全标准对传导电磁干扰都有相关要求。
以电动汽车的直流电源充电器为例，在直流快速充电站中，通过电容器进行共模和差模电磁干扰滤波，可以形成低阻抗电路，以最小的功耗分流噪声信号。
电磁干扰抑制通过在电源线与开关电源之间使用包含薄膜电容器的线路滤波器来实现（图2）。
图 2：安全薄膜电容器 C X和 C Y集成在线路滤波器中，以防止电磁干扰传播到电源线。图片来源：伊顿电子事业部
标记为 C X 的电容器并排连接，用于降低差模电磁干扰。标记为 C Y 的电容器从每条线路连接到地，用于降低共模电磁干扰。
直流链路电容器在交流电路各级之间的直流电路中起到平滑滤波器的作用。例如，电机驱动电路的整流器和逆变器级之间的直流母线上的电感-电容（LC）滤波器（图3）。
图3：所示为电机驱动电路整流器和逆变器级之间LC滤波器中使用的直流链路薄膜电容器。（图片来源：伊顿电子事业部）
除了电机驱动装置外，这些电容器也常用于功率逆变器和其他大功率充电电路中，这些电路的交流输入和交流输出电压不同。
例如，太阳能发电系统中的分布式逆变器，其中直流链路薄膜电容器用于降低各级之间的噪声和瞬态电压（图 4）。
图 4：直流链路薄膜电容器可抑制太阳能发电系统升压转换器和逆变器之间的噪声和瞬态信号。（图片来源：伊顿电子事业部）
薄膜电容器可减少 V链路线将信息反馈到控制电路时的杂散信号，从而提高性能。
交流滤波电容器有助于消除三相交流电源等应用中不需要的谐波频率成分（图 5）。
图5：图中所示为用于滤波三相电源的交流滤波电容器。（图片来源：伊顿电子事业部）
薄膜脉冲电容器旨在保护敏感元件免受高dV/dt电压变化的影响。它们广泛应用于脉冲电子器件和功率逆变器中。由于其高能量密度，它们可在谐振槽功率转换器等电路中提供快速脉冲功率（图6）。
图 6：脉冲薄膜电容器构成一个谐振槽电路，其频率与功率变换器的开关频率相匹配，从而消除变压器次级绕组中的谐波。（图片来源：伊顿电子事业部）
谐振槽电路能够显著提高电感-电感-电容（LLC）功率变换器的效率。脉冲电容用于根据功率变换器的开关频率来调节谐振槽电路。谐振槽可以消除变压器次级产生的谐波。此外，谐振槽还能实现功率变换器开关的软开关，从而降低损耗并提高效率。
三、薄膜电容器结构
每种薄膜电容器的特性取决于所用材料和薄膜层的几何形状。例如，伊顿电子事业部的EFACA25J155D032LH交流滤波电容器是一款 1.5 微法 (mF)、精度为 ±5% 的电容器，最大额定电压为 250 V。它符合 AEC-Q200 汽车应用标准，并具有 THB IIIB 型防潮等级。
薄膜电容器由交替排列的金属化介质层构成。对于额定电压最低的电容器（180 V AC至 300 V AC），交替排列的介质层分别连接到独立的引脚。多层并联可以增加总电容，而两层或多层串联则可以提高额定电压（图 7）。
图 7：串联多个电容器可以提高薄膜电容器的额定电压。（图片来源：伊顿电子事业部）
为了提高额定电压（350 V AC至 500 V AC），引线分别连接到分体式金属化层的两侧。另一层金属化层与引线隔离，并用作公共电容器极板，从而形成两个串联电容器。这种结构提高了电容器对的击穿电压，同时降低了电容。通过将多对电容器并联，设计人员可以提高电容。
利用隔离分割段的相同原理，额定电压为 600 V AC至 760 V AC的电容器为每一组重叠的电容器对创建三个串联电容器。
四、脉冲电容器的应用和结构
脉冲电容器专为高dV/dt和高电流的应用而设计。它们具有低ESR和ESL，从而提高了吸收瞬态电压尖峰能量的能力。其自愈特性确保了长期可靠运行。
脉冲薄膜电容器非常适合用作开关电源中的缓冲电路，它们可以保护有源开关器件免受开关过程中产生的电压尖峰和振铃的影响。
例如，在图 8 中，一个脉冲薄膜电容器 (C1) 与一个电阻器 (R1) 和一个二极管 (D1) 组合成一个缓冲电路，用于吸收 MOSFET 开关关断期间变压器寄生电感产生的电压尖峰。
图 8：脉冲薄膜电容器（例如 C1）非常适合用作开关电源中的缓冲电路，它们可以吸收 MOSFET 开关关断期间变压器寄生电感产生的电压尖峰。（图片来源：Art Pini）
当反激式开关电源的MOSFET导通打开时，漏极电流达到最大值。变压器的电感会试图维持该电流，从而导致电压迅速升高。此时，缓冲电路中的电容器最初处于放电状态，它会吸收由电感引起的电压尖峰能量，从而保护MOSFET开关。
通过保持较低的等效串联电感（ESL），可缩短电容作用的响应时间，使缓冲电路能够应对瞬态的高电压变化率（high dV/dt）。而较低的等效串联电阻（ESR）则允许在开关关断期间流过较大的电流，以满足吸收瞬态能量所需的高电流要求。
脉冲薄膜电容器的结构经过优化，可以处理高 dV/dt 和由此产生的电流（图 9）。
图9：脉冲薄膜电容器的内部结构采用双面金属化介质薄膜来降低ESR。（图片来源：伊顿电子事业部）
结论
薄膜电容器采用干式、无极性技术，具有高电容密度的特点。它们在温度变化下仍能保持稳定的电容值，能够处理高纹波电流以及脉冲和浪涌电压，因而适用于高频和电力类应用。其金属化结构还赋予了自愈能力，可提升可靠性与使用寿命，并使失效过程更加平缓、可控。
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