如何選擇和運用電容，確保高效率、可靠、永續的電動車充電器

電動車 (EV) 的充電器具有各種電壓和功率等級，但都採用電容來執行直流輸入濾波、直流鏈接、交流諧波濾波、直流輸出濾波等功能，並且在某些設計中，使用超級電容結合電池儲能和太陽能逆變器。電動車充電器通常位於戶外或其他嚴峻環境，因此設計人員必須先確定電容效能曲線，然後選擇合適的電容類型，才能滿足嚴苛的可靠性特性挑戰。

設計人員需要確保電容穩健耐用，且具有寬廣工作溫度額定值和長工作壽命。電容需要小巧，且能夠處理大漣波電流而不會過熱或效能下降，還需要滿足 AEC-Q200 的電氣和機械要求，以及國際電工委員會 (IEC) 61071 的效能要求，有些也需要滿足 ANSI/IEEE Standard 18。

為了達到這些電路應用的多種需求，設計人員可以採用各種電容技術，如功率薄膜電容、鋁電解電容、超級電容，這包括低電感設計、具有高漣波電流額定值的電容、高工作溫度、自行修復能力、符合 IEC 61071 的 AEC-Q200 認證，以及具有低等效串聯電阻 (ESR) 的超級電容。

本文定義各種充電等級，並根據這些等級回顧太陽能逆變器中電容的電路應用。接著介紹 Cornell Dubilier Electronics 適用於各種電動車充電器設計的輸入濾波、功率薄膜直流鏈路、交流諧波濾波和輸出濾波電容和超級電容的範例，以及用於整合這些電容到印刷電路板 (PCB) 、連接到匯流排、直接連接到絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 模組的封裝選項，以確保設計成功。

電動車充電等級和要求

電動車充電分為三個等級：1 級的住宅充電提供 120 V_AC 電源；2 級的住宅和公共充電提供 208/240 V_AC 電源；3 級的商業和公共充電器提供 400 至 900 V_DC 電源，用於直流快速充電和超級充電。一些 1 級和 2 級充電器基於太陽能逆變器和電池儲能。

DC-DC 轉換器和 DC-AC 逆變器是越來越常見的太陽能 1 級和 2 級充電器。這些充電器需要專為在符合 AEC-Q200 和 IEC 61071 標準的嚴峻電氣條件下使用所設計的各種高效能電容，包括圖 1 所示的類型：

• 直流輸入濾波和直流鏈路電容：這些充電器需要已針對中等功率應用經過最佳化的低電感直流輸入濾波器和直流鏈路電容。使用高達 1 F 或更高電容值的電容，以及低等效串聯電阻 (ESR)，可將內部發熱降至最低。
• 交流輸出濾波電容：基於 IGBT 的切換式電源逆變器會產生高諧波含量和總諧波失真 (THD)，必須使用交流輸出濾波電容進行過濾。如果沒有充分過濾，諧波會使輸出交流波形失真。
• 超級電容：添加超級電容在 1 級和 2 級太陽能充電器中尤其有益，可幫助系統依據日照變化進行調整，因為雲層會遮擋較小的太陽能板，導致電池電量出現峰值和谷值輸出功率。在這些系統中，峰值功率與平均功率之間的比率可能會對純電池系統造成問題。超級電容和電池的組合可以使系統具有更高的功率密度。

圖 1：太陽能逆變器電動車充電器需要各種電容和超級電容。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

電容在使用 AC-DC 電源轉換的 3 級直流快速充電器的設計中也很重要。與 1 級和 2 級充電器一樣，直流快速充電器需要直流鏈路電容。直流快速充電器中的直流鏈路電容是更高功率的元件，通常具有更高的額定電壓。另外，3 級充電器需要交流輸入濾波電容和直流輸出濾波電容 (圖 2)：

• 交流輸入濾波電容：為了支援更高功率等級，這些電容與專為較低功率處理所設計的元件相比，其封裝方式通常不同。例如，雖然 1 級和 2 級充電器中的低功率濾波電容可以採用扣入式端接以快速連接到電路板或可焊接引腳，但 3 級直流快速充電器中使用的電容通常具有直接連接到高功率匯流排的螺絲端子。3 級充電器的輸入電容可能需要滿足 ANSI/IEEE Standard 18。
• 直流輸出濾波電容：這些電容的功能類似 1 級和 2 級太陽能充電器中的交流諧波濾波電容。可吸收暫態並過濾充電器的 DC-DC IGBT 切換級產生的諧波電流，使輸出電壓平滑。這些電容需要結合低 ESR 和高漣波電流能力。

圖 2：電網供電的 3 級直流充電器需要能夠處理高電流和高電壓的組件。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

用於 1 級和 2 級 PV 電動車充電器的電容

直流輸入濾波：Cornell Dubilier 提供設計人員多種鋁電解電容選項，用於 1 級和 2 級電動車充電器的直流輸入濾波，包括 DCMC 螺絲端子電容，以及 380LX/382LX +85°C 和 381LX/383LX +105°C 扣入式電容 (圖 3)。DCMC 電容的範圍為 110 µF 至 2.7 F，電壓高達 550 V，工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C，並且可以處理高等級的漣波電流。380LX 型電容在 +85°C 時滿載時的負載壽命為 3,000 小時，而 381XL 電容在 +105°C 時滿載時的負載壽命為 3,000 小時。380LX/382LX 和 381LX/383LX 電容提供 2、4、5 引腳樣式，以便穩固、準確地安裝到電路板上。

圖 3：381LX 和相關電容具有扣入式電路板連接。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

直流鏈接：對於直流鏈接，設計人員可以選擇 550C 型鋁電解電容，如 550C562T400DP2B 和 947D 系列金屬化薄膜電容，如 947D601K901DCRSN。550C 系列在典型應用中的工作壽命超過 100,000 小時，在 +85°C 工作條件下的工作壽命高達 20,000 小時。550C 電容的 ESR 低至 7 mΩ，並具有用於連接到電路板或母線的螺絲端子，並且可以處理高漣波電流。

947D 系列結合逆變器設計所需的高電容量和極高漣波電流能力。這些電容的額定電壓範圍為 900 至 1,300 V_DC。在 +85°C 下的額定工作時間為 7,000 小時，在 +60°C 核心溫度和全額定電壓下的預期壽命為 350,000 小時。

交流輸出諧波濾波：若要在嚴峻環境中提供交流輸出諧波濾波，設計人員可以使用符合 AEC-Q200 標準的 ALH 系列交流濾波電容。與標準電容相比，根據加速式 85/85 溫濕度偏壓 (THB) 測試，這些電容的壽命延長了 50%。具有高方均根 (RMS) 電流額定值，因此適合處理高頻 IGBT 逆變器中的高次諧波。在 160 至 450 V_AC、50/60 Hz 下，電容量範圍為 0.22 至 50 µF。這些自行修復金屬化聚丙烯薄膜電容採用堅固的板載封裝 (圖 4)，工作溫度範圍為 -40°C 至 +105°C。ALH 系列電容在額定電壓和 +70°C 熱點溫度下的預期壽命為 100,000 小時。

圖 4：ALH 系列交流濾波電容可在嚴峻環境中提供交流諧波輸出濾波，具有自行修復功能，專為以通孔安裝在印刷電路板上所設計。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

超級電容：Cornell Dubilier 提供 DGH 系列和 DSF 系列，適用於需要超級電容瞬時爆發力的設計。DGH 系列包括 21 種不同的值／電壓組合，電容量範圍為 0.5 至 600 F，額定電壓為 2.7 至 5.5 WV_DC。DSF 超級電容為單一組件提供更高的 3.0 WV_DC，為雙元件提供 6.0 WV_DC (圖 5)。更高的電壓規格使得能量密度提高 24%。DSF 系列包括 17 種不同的值／電壓組合，電容量範圍從 1.5 F 到 600 F。兩個系列的額定循環次數為 500,000 次。可選擇通孔引線或扣入式引線整合至印刷電路板。

圖 5：DSF 超級電容可用作雙元件和單元件。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

適合 3 級充電器的電容

交流輸入和諧波濾波：針對 3 級直流充電器支援的高功率等級，設計人員可以採用 PFCH 系列三相串聯電容，如 PFCHX48D20S108T，其額定值為 76.8 µF 和 480 V_AC，專為交流輸入諧波濾波所設計。這些電容由三個自行修復金屬化聚丙烯繞組組成，這些繞組以三角形配置連接，封裝在圓柱形鋁殼中。其額定壽命為 60,000 小時，存活率為 94%，故障時間 (FIT) 額定值為≤300 X 10⁹ 組件小時。包括一個壓力中斷器，可在電容壽命終止或過載時斷開所有三相。符合 ANSI/IEEE Standard 18，並且遵照 UL 810，具有 10 kA 的最大短路電流額定值。

直流鏈接：直流鏈接電容選項包括專為電路板安裝設計的 BLH 直流鏈電容，在 +85°C / 85% 相對濕度和施加額定電壓的條件下經 1,500 小時測試；以及 474 系列，例如 0.47 µF、1.2 kV_DC 的 474PMB122KSP2 薄膜電容，設計用於直接安裝在 IGBT 模組上，可提供直流鏈接和濾波。

BLH 電容的額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +105°C，額定電壓在 +85°C 以上每攝氏度降額 1.35%，並且符合 IEC 61071 和 AEC-Q200 的要求。474 系列電容 (如 474PMB122KSP2) 的額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +100°C，在 +85°C 以上每攝氏度直流電壓降低 1.5%，交流電壓降低 2.5%。

直流輸出濾波：944U 系列高電流薄膜電容包括額定電壓為 800、1000、1200、1400 V_DC 的元件，電容額定值為 33 µF 至 220 µF，RMS 電流額定值在 +55°C 時高達 75 A。這些金屬化聚丙烯電容的內部結構具有低電感，因此可達到高漣波能力。封裝在直徑為 84.5 mm 的薄型 UL94V0 阻燃外殼中，基座附安裝凸緣和 M8 螺紋螺柱端子 (圖 6)。根據額定值，外殼高度為 40 mm、51 mm、64 mm。

圖 6：944U 薄膜電容的螺絲連接可用於電路板或匯流排連接。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

結論

如圖所示，電動車充電器需要多種類型的電容，才能確保可靠和高效率運作。Cornell Dubilier 提供多種電容類型和安裝方式，以支援 1 級、2 級、3 級應用高效能充電器的設計和構造。