作者：Jeff Shepard

　　电动汽车 (EV) 充电器具有各种电压和功率水平，但都依赖于电容器来执行直流输入滤波、直流链路、交流谐波滤波、直流输出滤波等功能，在某些设计中，超级电容器与电池储能和太阳能逆变器结合使用。由于电动汽车充电器通常位于室外或其他恶劣环境中，设计人员面临的挑战是首先确定电容器的性能曲线，然后选择合适的电容器类型以满足苛刻的可靠性特性。

　　设计人员需要确保电容器具有坚固耐用的物理性能，具有宽工作温度额定值和较长的使用寿命。电容器需要紧凑，能够处理大纹波电流而不会过热或性能下降，并且需要满足AEC-Q200的电气和机械要求，以及国际电工委员会(IEC)61071的性能要求，有些需要满足ANSI / IEEE标准18。

　　为了满足这些电路应用的多样化需求，设计人员可以转向各种电容器技术，如功率薄膜电容器、铝电解电容器和超级电容器，包括低电感设计、具有高纹波电流额定值、高工作温度、自愈能力的电容器、符合 IEC 61071 的 AEC-Q200 认证以及具有低等效串联电阻 (ESR) 的超级电容器。

　　本文定义了各种充电水平，并基于这些水平回顾了太阳能逆变器中电容器的电路应用。然后，介绍了输入滤波、功率膜直流母线、交流谐波滤波以及输出滤波电容器和超级电容器的示例。 康奈尔杜比利埃电子 适用于各种电动汽车充电器设计，以及将这些电容器集成到印刷电路板 (PC 板)、连接到母线或直接连接到绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 模块以确保成功设计的封装选项。

　　电动汽车充电水平和要求

　　电动汽车充电分为三个级别：1 级住宅充电提供 120 伏交流电 (V交流) 权力;2 级住宅和公共充电提供 208/240 V交流 权力;3 级商用和公共充电器提供 400 至 900 伏直流电 (V直流)用于直流快速充电和超级充电的电源。一些 1 级和 2 级充电器基于太阳能逆变器和电池储能。

　　越来越常见的太阳能 1 级和 2 级充电器包括直流到直流 (DC-DC) 转换器和直流到交流 (DC-AC) 逆变器。他们需要各种高性能电容器，这些电容器设计用于符合AEC-Q200和IEC 61071标准的恶劣电气条件，包括图1所示的类型：

　　直流输入滤波器和直流链路电容器：这些充电器需要针对中等功率应用优化的低电感直流输入滤波器和直流链路电容器。他们可以使用值高达 1 Farad (F) 或更高的电容器和低等效串联电阻 (ESR) 来最大限度地减少内部发热，从而受益匪浅。

　　交流输出滤波电容器基于IGBT的开关模式电源逆变器会产生高谐波含量和总谐波失真(THD)，必须使用交流输出滤波电容器进行滤波。如果没有充分滤波，谐波会使输出交流波形失真。

　　超级电容器：在1级和2级太阳能充电器中，添加超级电容器特别有益，以帮助系统适应日照的变化，因为云层阻碍了相对较小的太阳能电池板，导致输出功率出现峰值和谷值。在这些系统中，峰值功率和平均功率之间的比率可能会对纯电池系统构成挑战。超级电容器和电池的组合可以产生具有更高功率密度的系统。

　　图 1：太阳能逆变器 EV 充电器需要各种电容器和超级电容器。(图片来源：康奈尔杜比利埃电子)

　　电容器在使用 AC-DC 电源转换的 3 级直流快速充电器的设计中也很重要。与 1 级和 2 级充电器一样，直流快速充电器需要直流链路电容器。直流快速充电器中的直流母线电容器是更高功率的器件，通常具有更高的额定电压。此外，3 级充电器需要交流输入滤波电容器和直流输出滤波电容器(图 2)：

　　交流输入滤波电容器：为了支持更高的功率水平，与设计用于低功耗处理的器件相比，这些电容器的封装方式通常不同。例如，虽然 1 级和 2 级充电器中的低功率滤波电容器可以具有咬接式端接，以便快速连接到印刷电路板或可焊接引脚，但 3 级直流快速充电器中使用的电容器通常具有直接连接到大功率母线的螺丝端子。3 级充电器的输入电容器可能需要符合 ANSI/IEEE 标准 18。

　　直流输出滤波电容器：这些电容器的功能与 1 级和 2 级太阳能充电器中的交流谐波滤波电容器类似。它们吸收瞬变并滤除充电器的 DC-DC IGBT 开关级产生的谐波电流，从而平滑输出电压。这些电容器需要将低 ESR 与高纹波电流能力相结合。

　　图 2：电网供电的 3 级直流充电器需要能够处理高电流和电压的组件。(图片来源：康奈尔杜比利埃电子)

　　用于 1 级和 2 级光伏电动汽车充电器的电容器

　　直流输入滤波： Cornell Dubilier 为设计人员提供了多种铝电解电容器选项，用于 1 级和 2 级电动汽车充电器的直流输入滤波，包括 DCMC 螺丝端子电容器和 380LX/382LX +85°C 和 381LX/383LX +105°C 焊片式电容器(图 3)。DCMC 电容器的电压范围为 110 μF 至 2.7 F，电压高达 550 V，工作温度范围为 -40°C 至 +85°C，可处理高水平的纹波电流。380LX 型电容器在 +85°C 下满载时的负载寿命为 3，000 小时，而 381XL 电容器在 +105°C 下满载时的负载寿命为 3，000 小时。 380LX/382LX 和 381LX/383LX 电容器提供 2、4 和 5 引脚类型，支持安全准确地安装到印刷电路板上。

　　图 3：381LX 和相关电容器具有咬接式印刷电路板连接。(图片来源：康奈尔杜比利埃电子)

　　直流链接：对于直流链路，设计人员可以从 550C 型铝电解槽中进行选择，例如 550C562T400DP2B 和 947D 系列金属化薄膜电容器，如 947D601K901DCRSN.550C 系列在典型应用中的使用寿命超过 100，000 小时，在 +85°C 运行时的使用寿命长达 20，000 小时。550C 电容器的 ESR 低至 7 毫欧 (mΩ)，并具有用于连接到印刷电路板或母线的螺丝端子，可处理高纹波电流。

　　947D 系列结合了逆变器设计所需的高电容和非常高的纹波电流能力。这些电容器的额定电压为 900 至 1，300 V直流.它们在 +85°C 下的额定工作时间为 7，000 小时，在 +60°C 内核温度和全额定电压下的预期寿命为 350，000 小时。

　　交流输出谐波滤波：为了在恶劣环境中提供交流输出谐波滤波，设计人员可以转向符合AEC-Q200标准的类型 ALH系列 交流滤波电容器。与标准电容器相比，基于加速 85/85 温度-湿度-偏置 (THB) 测试，这些电容器的寿命延长了 50%。它们具有高均方根 (RMS) 电流额定值，适合处理基于高频 IGBT 的逆变器中的高次谐波。电容范围为 0.22 至 50 微法拉 (μF)，电压为 160 至 450 V交流，50/60 赫兹 (Hz)。这些自愈金属化聚丙烯薄膜电容器采用坚固的板安装封装(图 4)，工作温度范围为 -40°C 至 +105°C。 ALH 系列电容器在额定电压和 +70°C 热点温度下的预期寿命为 100，000 小时。

　　图 4：ALH 系列交流滤波电容器可在恶劣环境中提供交流谐波输出滤波，具有自愈功能，设计用于在印刷电路板上进行通孔安装。(图片来源：康奈尔杜比利埃电子)

　　超级电容器：对于需要超级电容器可以提供的瞬时突发功率的设计，康奈尔杜比利耶提供 DGH系列 和 DSF 系列.DGH 系列包括 21 种不同的值/电压组合，电容范围为 0.5 至 600 F，额定电压为 2.7 至 5.5 工作伏直流 (WV)直流).DSF 超级电容器提供更高的 3.0 WV直流 适用于单个组件和 6.0 WV直流 用于双设备(图5)。这种更高的电压规格导致能量密度提高 24%。DSF 系列包括 17 种不同的值/电压组合，电容范围为 1.5 F 至 600 F。两个系列的额定循环次数均为 500，000 次。它们提供通孔引线或咬接引线选择，以集成到印刷电路板中。

　　图 5：DSF 超级电容器提供双通道和单通道设备。(图片来源：康奈尔杜比利埃电子)

　　用于 3 级充电器的电容器

　　交流输入和谐波滤波：对于 3 级直流充电器支持的高功率水平，设计人员可以转向 PFCH 系列三相串联电容器，例如 PFCHX48D20S108T，额定电压为 76.8 μF 和 480 V交流 专为交流输入谐波滤波而设计。这些电容器由三个自愈金属化聚丙烯绕组组成，这些绕组以三角形配置连接并封装在圆柱形铝制外壳中。它们的使用寿命为 60，000 小时，存活率为 94%，故障时间 (FIT) 额定值为 ≤300 X 109 组件小时数。它们包括一个压力灭弧室，可在电容器寿命终止或过载时断开所有三相。它们符合 ANSI/IEEE 标准 18，根据 UL 810 标准，最大短路电流额定值为 10 千安 (kA)。

　　直流链接：直流连接电容器的选择包括 BLH 直流母线 专为印刷电路板安装而设计的电容器，在施加额定电压的情况下，在 +85°C / 85% 相对湿度下进行了 1，500 小时的测试，以及 474 系列，如 0.47 μF、1.2 kV 直流 (kV)直流) 474下午122KSP2 薄膜电容器，设计用于直接安装在IGBT模块上，以提供直流链路和滤波。

　　BLH 电容器的额定工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，额定电压高于 +85°C 每 °C 降低 1.35%，符合 IEC 61071 和 AEC- Q200 的要求。474PMB122KSP2 等 474 系列电容器的额定工作温度范围为 -40°C 至 +100°C，高于 +85°C 时，直流电压每 °C 降低 1.5%，交流电压降低 2.5%。

　　直流输出滤波：这 944U 大电流薄膜电容器系列包括额定电压为 800、1000、1200 和 1400 V 的器件直流，额定电容为 33 μF 至 220 μF，+55°C 时 RMS 额定电流高达 75 A。 高纹波能力是这些金属化聚丙烯电容器的低电感内部结构的结果。它们采用直径为 84.5 毫米 (mm) 的薄型 UL94V0 阻燃外壳封装，底部带有安装法兰和 M8 螺纹螺柱端子(图 6)。根据额定值，表壳高度为 40 mm、51 mm 或 64 mm。

　　图 6：944U 薄膜电容器的螺钉连接可用于印刷电路板或母线连接。(图片来源：康奈尔杜比利埃电子)

　　结论

　　如图所示，电动汽车充电器需要多种电容器类型，以确保可靠和高效的运行。Cornell Dubilier 提供多种电容器类型和安装方式，以支持 1 级、2 级和 3 级应用的高性能充电器的设计和构造。