原标题：开关电源中电容快速选型技巧

　　摘要

　　电容是开关电源中的再普通不过的器件，它可以用来降低纹波噪声，可以用来提高电源的稳定性以及瞬态响应性，然而，电容的种类繁多，如何通过技巧快速进行选型，而产品可靠性又高，性能又稳定呢?

　　1、电容种类的了解

　　对电容种类的大致了解，在选择电容时有助于对电容种类的快速筛选。

　　电容种类较多，如下图所示，按封装分有贴片电容、插件电容，按介质分有陶瓷电容，钽电容，电解电容、云母电容、薄膜电容等，按结构形势分，有固定电容、半固定电容、可变电容。

　　电容种类的繁多，让人容易患选择综合症，但不用忧虑，在开关电源中，我们使用最多的就是陶瓷电容，电解电容和钽电容，了解了电容的种类接下来是了解电容的一些性能参数。

　　2、电容关键参数的认识

　　了解电容的内在关键参数，才能快速选型，可靠使用，所有的电容的关键参数都是一样的，包括电容容值、电容的耐压值、电容的ESR、电容容值精度、电容允许的工作温度范围。

　　3、开关电源中电容的选型要了解电容本身特性

　　在开关电源设计中，使用频率最高的电容是陶瓷电容、电解电容、钽电容，需要了解它们的特性差异才能快速的进行选择。

　　陶瓷电容容值较小，高频特性好，工作温度范围较广，ESR较电解电容小，体积小，没有极性;电解电容容值可以做大，但工作温度范围较窄，ESR较大，有极性;钽电容ESR最小，容值可比陶瓷电容大一些，有极性，安规性能差，容易起火。

　　了解了以上三种电容的特性，在使用它们的时候就可以游刃有余。

　　4、开关电源中电容的选型还要了解使用环境

　　电容的使用环境还分电路内部环境和电路外部环境，电路内部环境包括频率、电压值、电流值、电容在电路中的主要作用等;根据电路频率可以确定电容种类;根据电压值可以确定选型电容的耐压值;在电路中的主要作用可以用来参考选型电容的容值等;根据电路外部使用环境对电容进行选型，产品工作的环境温度，安规要求等，都可以用来缩小电容选择范围。

　　5、开关电源中部分电路电容选型举例

　　(1)吸收电路的电容选型，如下图所示，在开关电源中，在MOS管或二极管上并联电容吸收尖峰是很常见的电路，那么这颗电容该如何去选择呢?

　　首先，考虑电路环境，即电容上可能承受的最大电压应力，可以确定电容的耐压值选。

　　其次，作为吸收电路，容值不能太大，太大会影响整机效率，故容值一般使用PF级别电容，电容的高频特性要好，根据这些特点，选择陶瓷电容是最理想的;然而陶瓷电容还分NPO，COG材质，根据温度特性还分X5R、X7R等，无需愁，只要了解了电路环境对使用电容的精度要求及温度要求，这些都可迎刃而解，在这种吸收电路中，对电容精度要求不高，一般的COG材质的电容可以满足。

　　(2)启动电路，以芯片3843为例，用RC启动，C值一般用到uF级别的电容，且温度特性要好，要不然在温度变化时，容值不够，会启动不良，在此可以选择钽电容和陶瓷电容;但是，钽电容有一个问题就是不符合安规要求，如果要过安规认证，就只能选择陶瓷电容。

　　(3)滤波电路电容选择，根据电路中电容两端电压确定耐压值，如输出电压24V，就不能选择15V或是25V耐压值的电容，电路中最大电流可以用来确定容值，电流大需要得到更小纹波，就要选择大容量的电容，滤波电路中，电容值可以用纯陶瓷、纯电解电容，或是电解电容混合陶瓷电容一起使用。

　　6、汽车级电源使用电容选型举例

　　汽车级电源电容选型就涉及到使用环境对电容的筛选，汽车级电源工作环境温度较一般的工业级电源要求高，工作温度要求达到125℃，所以电容选型是要选择温度特性好、耐高温、安规性能好的电容。

　　结尾：电容的选用技巧无非就是了解常用的几种电容特性以及电容在电路中的应用环境、产品使用环境特性。

　　图1第一代Prius 电解电容

　　图2第二代Prius 薄膜电容

　　图3国内一家商用车早期电解电容

　　图4国内一家商用车早期薄膜电容

　　图5现在控制器常用定制电容

　　电解电容与薄膜电容的对比

　　1、电解电容的优点是容量比薄膜电容大;

　　2、薄膜电容相对于电解电容优势;

　　3、薄膜电容具有更良好的温度和频率特性;

　　4、薄膜电容没有极性，能够承受反向电压;

　　5、薄膜电容额定电压高，不需要串联平衡电阻;

　　6、薄膜电容采用干式设计，没有电解液泄露的危险，没有酸污染;

　　7、薄膜电容更低的ESR，更强的耐纹波电流的能力;

　　8、薄膜电容更强的抗脉冲电压能力;

　　9、薄膜电容更长的寿命;

　　10、薄膜电容更加灵活的外形设计，可根据不同的需求进行定制。

　　图6电解电容与薄膜电容参数对比

　　母线电容电压的选择

　　电机控制母线电压除了正常的纹波电压的波动，还包括IGBT动作时电流激烈的变化产生尖峰电压和电机反转时的反电动势，薄膜电容在使用中允许有1.2倍额定电压值的脉冲，理论上可以选择额定电压较低的薄膜电容。

　　如现在的320V的电机控制器系统一般选用500VDC的薄膜电容，540V的电机控制器系统选用900V或者1000V的薄膜电容。

　　母线电容容量的计算

　　在新能源电动汽车电机控制器的应用中，母线电容是以IGBT的载波频率来完成充放电，在一个PWM周期内，IGBT导通时由电池组和电容器同时为电机提供能量，IGBT关断时，电池组向母线电容充电。

　　我们假设电机控制器的最大输出功率为P，电机控制器的的电路为典型的三相全桥拓扑结构。

　　在一个开关周期内，母线所提供的能量约为：

　　W=P/(2f)

　　其中：

　　f：IGBT的开关频率。

　　母线电容一个开关周期内释放的能量为：

　　Q=1/2*C(U+Δu)2-1/2*C(U-Δu)2=2*C*U*Δu

　　其中：

　　U：直流母线电压;

　　Δu：母线纹波电压;

　　在极端情况下：Q=W，进一步计算可得：

　　C=P/(4*f*U*Δu)，

　　一般的，直流母线电压的脉动率为5%，

　　即纹波电压值：

　　Δu=U*2.5%

　　综上可得：

　　Cmax=P/(4*f*U*U*2.5%)

　　Cmax值是建立在最极端的情况下，实际应用中，一般认为IGBT开关导通的时候，母线电容提供W/2的能量，即Q=W/2

　　结合前面的计算公式可得：

　　Cmin= P/(8*f*U*U*2.5%)

　　以上计算我们仅供设计参考，在实际应用中更多的电机控制器的母线电容容量的选取接近Cmin的值或者小于Cmin，我们在实际应用中可以根据自己不同的成本和体积综合考虑。

　　母线电容纹波电流的计算

　　纹波电流是指流经母线电容的交流分量，电机控制器的输出电流为三相正弦基波电流与高频谐波电流的叠加，两者均会在直流母线侧产生相应的纹波电流。

　　纹波电流计算公式为：

　　图7英飞凌HP1 Demo

　　采用的是HP1，400A/650V模块，峰值功率40KW，我们按照常用的数据，假设这个系统采用的是母线电压U=320V，载波频率：10KHz，通过计算得Cmax=391uF，Cmin=195uF，而英飞凌DEMO采用的母线电容为300uF/450VDC，参数如下图

　　图8英飞凌Demo采用的电容参数

　　例二：法雷奥母线电容参数

　　图9法雷奥电控标签

　　图10法雷奥电控母线电容

　　法雷奥的电控峰值容量为140KVA，我们假设功率因数为0.85，则峰值功率为120KW，我们依然假设载波频率为10KHz，母线电压为320V，则Cmax=1162uF，Cmin=581uF，而法雷奥采用的是450V/600uF的电容，接近于Cmin。

　　例三：宝马I3的母线电容参数

　　图11宝马I3母线电容

　　根据宝马的数据，电机峰值功率为125KW，其他参数如上列，得出Cmax=1221uF，Cmin=610uF，取值小于Cmin。

　　例四：特斯拉母线电容参数

　　Model 3采用的母线电容为550uF/430V，如果按照峰值功率175KW，按照公式Cmin=855uF，远大于550uF，Model X前驱采用的是430V/450uF的母线电容，相比前驱193KW的功率，母线电容选取更小。(无法找到电控参数，以电机功率作为计算依据)

　　图12Model 3母线电容

　　图13Model X前驱母线电容

　　图14Model 3参数

　　图15 Model X参数

　　总结：综上考虑，母线电容的选取，不同的电机控制器选用的是有差别，对比计算过好些论文，以及询问国内知名薄膜电容厂的技术人员，一般会采取上面的计算公式，但对比国外的电机控制器的设计，他们采用的薄膜电容的容量更加激进，具体的怎么选用还要经过相关的实验，比如电容的温升等是否满足设计要求。