瞭解並挑選電源應用的薄膜電容

太陽能面板和電動車 (EV) 的運用持續增加。其電源系統仰賴 DC/DC 轉換器和 DC/AC 逆變器，都需要電容來減少低頻漣波、對會引發電磁干擾 (EMI) 的高頻元件進行濾波，並且吸收暫態負載電流，以免影響電源的初級側。這些電源應用的電容必須可靠、緊湊、輕量、壽命長並具有良好的高頻效能。

雖然薄膜電容是這些電源應用的良好選擇，但設計人員還是要瞭解其結構和特性，才能挑選正確的裝置。

本文將概述薄膜電容。接著會用 Eaton-Electronics Division 的範例來探討針對電源應用的挑選方式與用途。

薄膜電容

與所有電容一樣，薄膜電容含有兩個導電板，由絕緣介電層隔開。絕緣介電層含有一張塑膠薄膜，通常由聚丙烯製成，是一種低損耗、高強度的介電質 (圖 1)。導電板是一層薄金屬箔片，或在介電質上沉積的一層薄金屬。箔片和薄膜會纏繞在磁芯上並連接引線，電容會封裝在塑膠外殼內，並用環氧樹脂密封，以保護電容以免遭受環境影響。

圖 1：薄膜電容的繞線磁芯含有交錯的金屬層和介電層，並密封在防護塑膠外殼中。(圖片來源：Eaton-Electronics Division，經 Art Pini 修改)

雖然薄膜電容的能量密度相當低，但具有高電容密度和其他一些特性。首先，薄膜電容屬於非極性；可用於 AC 和 DC 電路。因採用乾式固態介電質，比起採用液態或半液態電解質的電容來說，具有更高的可靠性，並具有穩定的電容值和優異的溫度穩定性。具有較低的等效串聯電感 (ESL) 和等效串聯電阻 (ESR)，能有效處理高漣波電流，因此薄膜電容非常適合高頻應用。或許薄膜電容最顯著的特性就是具有自行修復能力。若發生介電擊穿，就會產生一個局部熱點，導致相鄰的金屬蒸發而形成一個不導電的空穴，這可讓電容正常運作，進而延長使用壽命。

薄膜電容的種類

薄膜電容專為特定應用量身打造，常見的類型包括安規、直流鏈、交流濾波器和脈衝。安規薄膜電容的設計可在 AC 線路濾波應用中衰減傳導輻射。許多國際安全標準都對傳導 EMI 有所規定。試想 EV 用的線路供電式 DC 充電器。在 DC 快充站中，透過電容進行的共模和差動模式 EMI 濾波可當作低阻抗，能以最小的功率耗散讓雜訊訊號分流。

EMI 抑制功能在電源線和切換式電源供應器之間採用線路濾波器，其中就含有薄膜電容 (圖 2)。

圖 2：安規薄膜電容 C_X 和 C_Y 整合在線路濾波器中，可避免 EMI 傳播到電源線。(圖片來源：Eaton-Electronics Division)

標示 C_X 的電容會以線對線的方式放置，可降低差動模式 EMI。C_Y 電容會分別以線對接地的方式接地，可降低共模 EMI。

直流鏈電容可在 AC 級之間的 DC 電路中當作平滑濾波器。有個例子是馬達驅動電路的整流器和逆變器級之間的 DC 匯流排上的電感電容 (L-C) 濾波器 (圖 3)。

圖 3：此為直流鏈薄膜電容，用於馬達驅動電路整流器和逆變器級之間的 L-C 濾波器。(圖片來源：Eaton-Electronics Division)

除了馬達驅動器，這些電容也經常用於電源逆變器和其他大功率充電電路中，其中 AC 輸入和 AC 輸出皆有不同的電壓位準。舉例而言，試想太陽能發電系統中的分散式逆變器，其中的直流鏈薄膜電容就可用來降低級之間的雜訊和暫態 (圖 4)。

圖 4：直流鏈薄膜電容可抑制太陽能發電系統之升壓轉換器和逆變器之間的雜訊和暫態。(圖片來源：Eaton-Electronics Division)

薄膜電容可在 V_link 線路將資訊反饋至控制電路的某一處降低雜散訊號，進而提高效能。

AC 濾波電容有助於在三相 AC 電源等應用中消除不想要的諧波頻率成分 (圖 5)。

圖 5：此為用於過濾三相電源的 AC 濾波電容。(圖片來源：Eaton-Electronics Division)

薄膜脈衝電容可保護敏感元件，以免受到高 dV/dt 電壓變化的影響。可用於脈衝電子和功率逆變器應用。專為高能量密度而設計，可在諧振腔電源轉換器等電路中提供快速突發的電力 (圖 6)。

圖 6：脈衝薄膜電容可形成一個諧振腔電路，並以相對於電源轉換器的切換頻率進行調諧，因此可消除變壓器二次側的諧波。(圖片來源：Eaton-Electronics Division)

諧振腔電路可大幅提升電感-電感-電容 (LLC) 電源轉換器的效率。脈衝電容能以相對於電源轉換器之切換頻率的方式調整諧振腔電路。諧振腔可消除變壓器二次側的諧波。此外，諧振腔可在電源轉換器的切換中達到緩切換，進而減少損耗並提高效率。

薄膜電容結構

每種類型的薄膜電容，其特性取決於使用的材料，以及薄膜層的幾何形狀。以 Eaton-Electronics Division 的 EFACA25J155D032LH AC 濾波電容為例，就是一款 1.5 mF ±5% 的電容，最大額定電壓為 250 V。符合汽車應用的 AEC-Q200 標準，並具有 THB IIIB 型濕氣侵入等級。

薄膜電容由交錯的金屬化介電質層形成。若是額定電壓最低的電容 (180 V_AC 至 300 V_AC)，每個交錯層皆會連接到單獨的引線。多層並聯會增加總電容量，若將兩層或多層串聯，則會增加額定電壓 (圖 7)。

圖 7：添加多個串聯電容會增加薄膜電容的額定電壓。(圖片來源：Eaton-Electronics Division，經 Art Pini 修改)

引線會連接到分離金屬層的每一側，以達到更高的額定電壓 (350 V_AC 至 500 V_AC)。交錯層具有與引線隔離的單一金屬薄膜，並可當作共用電容板，進而產生兩個串聯的電容。此結構可增加對組的擊穿電壓，同時還可降低電容量。只要將多個對組並聯，設計人員就可增加電容量。

透過相同的隔離分段原理，600 V_AC 至 760 V_AC 的額定電容，可針對每組重疊對組建立三個串聯電容。

脈衝電容的應用和結構

脈衝電容專為會有高 dV/dt 和電流的應用而設計。具有低 ESR 和 ESL，因此可提高從暫態電壓尖波吸收能量的能力。因具有自行修復的特性，可確保達到可靠的長期運作。

脈衝薄膜電容非常適合切換式電源供應器中的緩衝器應用，可以保護主動切換裝置，以免在切換過程中受到電壓尖波和振鈴的影響。例如，在圖 8 中，脈衝薄膜電容 (C1) 搭配電阻 (R1) 和二極體 (D1) 形成一個緩衝器，就可在 MOSFET 開關的關斷期間，吸收變壓器寄生電感所產生的電壓尖波。

圖 8：脈衝薄膜電容 (如 C1) 非常適合切換式電源供應器中的緩衝器應用，可在 MOSFET 開關的關斷期間，吸收變壓器寄生電感所產生的電壓尖波。(圖片來源：Art Pini)

當 MOSFET 在返馳切換式電源轉換器中開啟時，漏電流會達到最大值。變壓器的電感值可用來維持該電流，並可讓電壓迅速升高。初期放電時，緩衝電路中的電容會吸收感應尖波能量，藉此保護 MOSFET 開關。保持低 ESL 就可縮短電容動作的反應時間，進而讓緩衝器處理暫態的高 dV/dt。低 ESR 也可在開關的關斷期間，達到必要的高電流，以吸收暫態能量。

脈衝薄膜電容的結構經過最佳化，可處理高 dV/dt 和產生的電流 (圖 9)。

圖 9：脈衝薄膜電容的內部結構採用雙面金屬化介電膜來降低 ESR。(圖片來源：Eaton-Electronics Division)

Eaton-Electronics Division 的脈衝薄膜電容採用雙面金屬化介電膜，能有效將電容板和引線連接處之間的接觸面積加倍，進而降低電容的 ESR 並提高電流能力。舉例而言，EFPLS1GJ223B072LH 就是一款 0.022 mF ±5% 脈衝薄膜電容，額定最大電壓為 1600 V。其 ESR 為 30 mΩ，ESL 為 12 nH。最大 dV/dt 規格為 6,000 V/μs，額定 RMS 電流為 3.2 A，額定峰值電流為 132 A。

相關的 EFPLA 系列包括用於汽車等惡劣環境的脈衝薄膜電容，符合 THB IIIB 級和 AEC-Q200 規範。以 Eaton EFPLA2AJ153B092LH 為例，就是一款額定電壓為 2,000 V 的 0.015 mF ±5% 脈衝薄膜電容。其 ESR 為 45 mΩ，ESL 為 12 nH。最大 dV/dt 規格為 4,500 V/μs，額定 RMS 電流為 3 A，額定峰值電流為 142.5 A。

結論

薄膜電容採用乾式非極化技術，具有高電容量密度。可在溫度範圍內提供穩定的電容量、處理高漣波電流以及脈衝和突波電壓，適用於高頻和電源應用。其金屬化結構還提供自行修復能力，能提高可靠性和使用壽命，並可有利於達到更完善的故障機制。Eaton-Electronics Division 提供豐富且不斷擴大的金屬化聚丙烯薄膜電容陣容，可針對多種不同的應用和工作環境提供最佳化功能。