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一种用于电力应用的新型商用高温电容介质
Teonex? HV是一种具有最高能量密度的新型电容介质,适用于应用在高温条件下运行的DC-Link电容器和电力吸收电容器.Teonex? HV is a new dielectric predestined for DC link and snubber powercapacitors operating at high temperatures with highest energy densities.
作者：卢森堡杜邦帝人薄膜公司的Lucien Schosseler
电力电子应用对于系统小型化、可靠性和效率改善有着越来越多的需要,因此如何增加功率密度成为重点研究课题.从而对构成功率转换器逆变模块上的不同元器件,如无源器件、高精度DC-Link电容和吸收薄膜电容器有着高温运行要求.随着S i器件和S iC器件的工作结温达到了175℃及以上,这样就要求薄膜DC-Li nk和吸收电容能在105℃以上正常工作[1、2、3、4].
用于电力电子应用的薄膜电容器普遍基于聚丙烯（BOPP）介质技术.由于聚丙烯材料在电容器中可工作在150~200 V/μm范围的高特定电压范围内,因此其是电力电容器的可靠的解决方案.BOPP聚合物的熔融温度很低（165℃）,因此这种薄膜技术的缺点在115℃以上温度范围内连续工作的能力有限[9].
基于PET和PEN的聚酯薄膜技术分别可工作在125℃和150℃,但仅限于电容器中的低特定工作电压[5].由于其在电力电子应用中的使用范围有限,基于这种技术的电容器会无法满足电力电子系统的小型化需求.
如PPS或PI等可在超过125℃时连续工作的其他高温薄膜方案会受到它们电压强度低和自愈能力差等缺点限制,不适合电力电子应用.虽然其芳香族结构赋予了这类聚合物很好的高温性能 ,但是其内在电气强度有限[6].
随着薄膜介质Teonex? HV的开发,杜邦帝人薄膜公司克服了这些物理限制,将聚酯PEN的高温性能与极佳的介电击穿强度有效结合到一起.
Teonex? HV的性能
Teonex? HV是一种高温材料,其熔化温度Tm为265℃,玻璃化转变温度Tg为145℃,使其在175℃及以上温度范围连续工作成为可能.
Teonex?HV薄膜的介电击穿强度和薄膜厚度与BOPP基本一致：在室温下可达到超过5 0 0 V/ μm的薄膜片材介电强度,如图1所示.相对聚酯薄膜（PEN、PET）,其电气性能得到了很大提升,并远远优于（2.0 倍以上）如PPS、PEEK和PI等其他高温材料.
如图2所示,Teonex? HV的击穿强度在薄膜样本的结果显示其在125℃电压降额为12%,在150℃时电压降额为19%.
其在25℃时介电常数为3.05,在175℃则提高到3.73.电容率随温度增加而增加,从而改善了电荷存储容量随温度变化的特性（图3）.
其在高达125℃温度下薄膜耗散系数是稳定的,不超过0.45%,在150℃时也小于1%（频率范围从1-10 kHz）.电容器的总耗散系数是综合考虑介电薄膜中漏电流和电流流经触点和金属电极所造成损耗后的结果.在DC-Li nk电容器中,要保证电介质具有最佳的自愈能力,经常使用高电阻率的金属电极,这样金属电极的电阻就成为了电容器的总ESR和耗散系数的主要部分.
Teonex? HV薄膜具有很高的能量密度,这样一来材料的介电常数和电容器的电压强度都会有所提升.特别是在105℃以上温度工作时,Teonex? HV有着所有电介质材料中最高的能量密度（图4）.
在电力电容器中,电介质的自愈能力是电容器能否安全运行和无源元件寿命长短的关键因素[8] .电击穿特性是金属薄膜的弱点所在,其放电能量会蒸发聚合物和金属电极,并在聚合物薄膜中建立一个被去金属化区域包围的孔,从而破坏绝缘性能.
为了获得最佳的自愈能力,电介质必须能够在低于一定层间压力限制或有着等效最小空气层的真实条件下工作.一旦超过这个阈值,薄膜会失去自愈功能：随着电介质被损坏,清除能量太低无法充分蒸发电介质和相邻金属电极,从而可能导致电容器短路[7].
Teonex? HV电容器的制造需要软绕组和扁平化工艺,以减少层间处理的压力,并承受额定电压下运行时产生的静电压力分量.根据对Teonex? HV电介质薄膜的要求,通过辅助建模,得出了绕组和扁平化处理对电容器电性能的影响.
在最佳的情况下,Teonex ? HV电介质的所采用的先进金属化和制造技术使其在125℃条件下可在高达150 V/μm的特定电压下工作.在高于这个温度下运行时,须进行降额使用.
这种薄膜在生产时采用使用了先进的Zn或A l或Zn/A l金属化技术绕线（如已知的BOPP电容器）或叠加式电力电容器技术,以及采用了薄膜箔或浸渍电容器装置.
目前这种膜已经有3/4/5/6/8μm等不同厚度规格进入商用阶段,其中350到1000V电压范围可用单金属化方式来实现,1kV以上的电压可采用串联金属化方式或串/并联电容器设计来实现.
应用领域
功率变换器或逆变器在其中间电路中采用DC-Link电容器来过滤纹波和储存及传输电能[5、8、11].
逆变器广泛应用于电动汽车（EV/HEV/PHEV）、可再生能源（太阳能发电和风能发电）、工业应用（驱动器、建筑设施……）、牵引以及HVDC等装置中.在这些逆变器中使用高温电容器将提高其可靠性,通过简化冷却装置,进而降低系统成本和尺寸,改善可维护性[8、9].
随着GaN/SiC等高频功率半导体器件在逆变器中广泛应用,DC-Li n k电容器的尺寸将进一步减小,从而具有更大的功率密度并降低无源元件的温度限制[12].
总结
更紧凑、更可靠和更低功耗是现代电力电子设计的发展趋势,同时也需要更先进高温DC-Link电容器和吸收技术.
目前基于聚丙烯和聚酯的主流电介质薄膜技术,无法充分满足以上需求：BOPP可在较低的温度工作具有高电压强度,而PET是只适合在低电压和中等温度下使用.
作为杜邦帝人薄膜的全新商业化电介质技术,Teonex?HV是逆变模块要求的未来规格的有力答案.
电力论文范文结:
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