太阳能逆变器中能量缓冲器电容器的选择

　　前言

　　太阳能逆变器在太阳能电池板和主电网之间扮演着接口的角色。如图1所示，在太阳能逆变器内部会发生两个功率转换过程。一个DC/DC转换器控制着太阳能电池板的工作点，使之达到最大的功率输出。DC/AC转换器把这部分功率输送到主电网，同时执行主电网运营商设立的各种管控规则。能量缓冲器会吸收掉两个转换器之间功率流的差值。成功实现这个过程在很大程度上取决于你为能量缓冲器选择的电容器。本文介绍了在薄膜电容器和铝电容器之间如何进行取舍，以及你在选择一个或其他电容器时需要考虑的因素。

图1：太阳能逆变器框图：太阳能电池板及U/I特性，DC/DC，能量缓冲器，DC/AC，主电网

　　初步考虑因素

　　通过安装能量缓冲器，你可以把从太阳能电池板汲取最大功率，同如何把这种能量注入到主输配电系统这两件事分开处理。而且，这么做会降低设计的复杂度。

　　能量缓冲器的大小是由需要储存能量的多少决定的，能量的多少取决于太阳能逆变器的功率等级，以及储存和释放能量这两个过程之间的时间长短。可供参考的是，如果时间差小于1秒钟，使用薄膜电容器或铝电容器都没问题。如果时间超过1秒钟，你就应该考虑使用一个电化学双层电容器或电池组。但这两种技术都要求每个电池单元的电压在1V至4V之间。接到主电网需要的电压等级更高，要求把几个电池连成一串，因此就需要增加用来保持平衡的电子器件。由于驱动电池或电化学双层电容器单元有一些特殊要求，这种功能通常是由一个独立的功率电子模块来实现的，对模块的详细介绍超出了本文的讨论范畴。

　　薄膜电容器和铝电容器有一些使用限制，会影响到太阳能逆变器的服务寿命和可靠性。因此你需要详细列举在长时间工作条件下的变化情况，重要参数是器件环境温度、工作电压、纹波电流和持续时间。表1给出了一个非常简单的工作状况的例子。

表1：工作状况的简单示例

　　电容器基础知识

　　薄膜和铝电容器是两种在平行基板电容器基础上演变出来的电容器。图2显示了这两种电容器的基本结构，标出了主要的不同点。

图2：电容器结构：平行基板，薄膜电容器，铝电容器

　　图片显示内容：平行基板电容器，金属，隔离层，从金属基板上延展出来的金属和引线；薄膜电容器，两个水平相互错开的金属箔的金属面通过小颗粒及小颗粒上延展出来的引线实现接触；铝电容器，带有两个细孔和氧化物的刻蚀铝箔、纸/电解液，以及带有从铝基板上延展出来的引线的铝箔

　　在太阳能逆变器中，用做能量缓冲器的薄膜电容器由两层卷绕在一起的金属化聚丙烯组成。聚丙烯的厚度决定了电压等级，电压等级可以达到数千伏。聚丙烯上的金属化部分通过喷洒在卷绕膜上的金属微粒实现接触。接头引线就焊在这个金属化部分上。

　　铝电容器由两层铝箔组成，中间夹着一层或两层纸，用导电液体即电解液填充。接头焊在每个铝层上。第一层铝有孔洞，以增加表面积，上面覆盖一个厚氧化物层。第二层铝只用来接触电解液。电压等级受氧化物层厚度和电解液成分的限制，在实际应用中一般在500V左右。

　　薄膜电容器与铝电容器的性能特性
 

图3：采用铝电容器的太阳能逆变器

　　薄膜电容器几乎说是一种理想的电容器。这种电容器的容量不会随着温度而显著变化，在充电/放电 （纹波电流） 时几乎不会发热。由于电容器结构的原因，对于电流回路来说是短路，因此电感很低，使其能用在很宽的频率范围内，通常可以达到数兆赫兹。

　　铝电容器的问题要多一些。细孔加上导电性一般的电解液，使这种电容器的容值会随着温度和频率而发生变化。在铝和纸/电解液组合结构中产生的欧姆损耗，以及在不完美的氧化物层中会产生与频率相关的损耗，使电容器在充电/放电的时候会发热，限制了电容器的纹波电流处理能力。最后还有一点尤其重要，由于电解液会与电容器中的其他材料发生化学反应，电特性过一段时间后会发生变化，使电容器达到使用寿命后失效率会增高。由于化学反应的速度随电容器温度的降低而降低，需要根据太阳能逆变器的工作状况计算电容器的寿命。

　　如果在薄膜电容器中出了什么问题，比如电介质击穿或是碰到一个非常高的电流脉冲（高dU/dt），金属化层或是连到金属化层的触点就会被破坏。最后，薄膜电容器会变成开路状态。

　　如果铝电容器中出了什么问题，结果更难预料。由于电介质击穿导致的接头损坏，表现出来的结果可以是短路、开路，或是中间的什么状态，比如泄漏电流会增高。如果铝电容器过热，而且还连到电源上，其温度会升到电解液的沸点以上，大概能达到200 °C。所产生的内部压力会使泄压装置打开，电解液会流出来，卷绕层会变干。

　　薄膜电容器与铝电容器的设计要点

　　当需要在两种技术中间进行选择时，性能并不是全部考虑因素，元件的尺寸也很重要，价格也是一个因素。要始终牢记的是薄膜电容器和铝电容器如何达到预期的效果？

　　铝电容器的空间效率肯定比薄膜电容器要高。一个470 µF/450 V铝电容器的体积只有一个470 µF/450 V薄膜电容器的15%。

　　另一方面，铝电容器的寿命有限，损耗更大。对于一个要求能工作20年或高功率等级的太阳能逆变器，薄膜电容器因其具有更低的损耗和无限的寿命，是更佳的选择。

　　仅就元件成本而言，铝电容器占有绝对优势，同样是470 µF/450 V，薄膜电容器的成本是相对应的铝电容器的5倍甚至更多。然而，铝电容器一般需要额外的保护电路。相反，薄膜电容器几乎不需要用来防止发生故障的外围元件。尤其是高功率等级的太阳能逆变器，能够处理发热问题的电容器是更佳选择，因为这样有助于大大降低成本，例如不需要用水来冷却元器件。

　　结论

　　选择太阳能逆变器中能量缓冲器的技术可不是一件简单的事情。你需要考虑很多因素，这些因素可能涉及到元器件行为的一些细节问题。因此，明智的选择是找一个经验丰富的供应商，在设计过程的初期就充分利用供应商的设计专长，确保你所选择的技术能够最终满足你的所有需求。