作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動汽車 (EV) 充電器盡管電壓和功率水平不盡相同，但都依靠電容器來執行直流輸入濾波、直流鏈接、交流諧波過濾、直流輸出濾波等功能，在一些設計中，超級電容器要結合電池儲能和太陽能逆變器一起使用。由于電動汽車充電器通常位于戶外或其他惡劣環境中，設計人員面臨的挑戰首先是確定電容器的性能特征，然后是選擇適當的電容器類型以滿足苛刻的可靠性要求。

設計人員需要確保電容器在物理上是堅固的，具有較寬的工作溫度等級和較長的工作壽命。電容器需要很緊湊，且能夠處理大的紋波電流而不會過熱或遭受性能下降，同時需要滿足 AEC-Q200 的電氣和機械要求，以及國際電工委員會 (IEC) 61071 的性能要求，有些還需要滿足 ANSI/IEEE 18 標準。

為了滿足這些電路應用的不同需求，設計人員可以使用各種電容器技術來應對，如電力薄膜電容器、鋁電解電容器和超級電容器（包括低電感設計）、具有高額定紋波電流、高工作溫度、自愈能力、符合 IEC 61071 要求的 AEC-Q200 級電容器，以及具有低等效串聯電阻 (ESR) 的超級電容器。

本文首先界定了各個充電級別的差異，并按照這些級別分別探討了太陽能發電逆變器中電容器的電路應用。然后介紹了 [Cornell Dubilier Electronics] 提供的適合各種電動汽車充電器設計的輸入濾波、電力薄膜直流鏈路、交流諧波過濾和輸出濾波電容器以及超級電容器實例，以及將這些電容器集成到印刷電路板（PC 板）、連接到母線或直接連接到絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 模塊的封裝選擇，以確保設計的成功。

電動汽車充電級別和要求

電動汽車充電級別有三個：1 級適用住宅充電，提供 120 V交流電交流充電能力；2 級同時適用住宅和公共充電，提供 208/240 V交流電的充電能力；3 級適用商業和公共充電樁，提供 400 至 900 伏 (V 直流 ) 直流快速充電和超級充電能力。一些 1 級和 2 級充電器基于太陽能逆變器和電池儲能。

越來越常見的是，在太陽能 1 級和 2 級充電器會包括一個直流轉直流 (DC-DC) 轉換器和一個直流轉交流 (DC-AC) 逆變器。他們需要各種高性能的電容器，這些電容器是為在惡劣的電氣條件下使用而設計的，符合 AEC-Q200 和 IEC 61071 標準，包括圖 1 所示類型。

• 直流輸入濾波器和直流鏈路電容器：這些充電器需要低電感的直流輸入濾波器和直流鏈路電容器，已針對中等功率應用進行了優化。使用容量值高達 1 法拉 (F) 或更高的電容器和低等效串聯電阻 (ESR) 可提升充電器性能，并最大限度地減少了內部發熱。
• 交流輸出濾波電容器：基于 IGBT 的開關模式電力逆變器會產生高的諧波含量和總諧波失真 (THD)，必須使用交流輸出濾波電容器進行過濾。如果沒有充分的濾波，諧波就會使輸出的交流波形失真。
• 超級電容器：添加超級電容器對 1 級和 2 級太陽能充電器特別有利，可以幫助系統減少日照變化的影響，因為云層阻礙了相對較小的太陽能電池板，會導致輸出功率變化過大。在這些系統中，峰值功率和平均功率之間的比率可以媲美純電池系統。超級電容器和電池的結合可以產生一個具有更高功率密度的系統。

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

電容器在使用交直流電源轉換的 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器。直流快速充電器中的直流鏈路電容器是更高功率的設備，通常具有更高的額定電壓。此外，3 級充電器需要交流輸入濾波電容器和直流輸出濾波電容器（圖 2）。

• 交流輸入濾波電容器：為了支持更高的功率水平，與低功率設計器件相比，這些電容器通常采用不同封裝。例如，1 級和 2 級充電器中的低功率濾波電容器可以采用卡入式端子，以快速連接到 PC 板或可焊引腳上，而 3 級直流快速充電器中使用的電容器通常有螺紋端子，直接連接到大功率母線上。3 級充電器的輸入電容器可要求滿足 ANSI/IEEE 18 標準。
• 直流輸出濾波電容器：這些電容器的功能與 1 級和 2 級太陽能充電器的交流諧波過濾電容器類似。它們吸收瞬變，并過濾由充電器的 DC-DC IGBT 開關級產生的諧波電流，使輸出電壓更加平滑。這些電容器需要結合低 ESR 和高紋波電流能力。

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元件。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

用于 1 級和 2 級光伏電動汽車充電器的電容器

直流輸入濾波器：Cornell Dubilier 為設計人員提供了幾種鋁電解電容器選擇，用于 1 級和 2 級電動汽車充電器的直流輸入濾波，包括 [DCMC] 螺紋端子電容器，以及 [380LX/382LX] +85°C 和 [381LX/383LX] +105°C 卡入式電容器（圖 3）。DCMC 電容器的范圍從 110 μF 到 2.7 F，電壓高達 550 伏，工作溫度范圍為 -40°C 到 +85°C，并能處理高水平的紋波電流。380LX 型電容器在 +85°C 下滿載負載壽命為 3000 小時，而 381XL 型電容器在 +105°C 下滿載負載壽命為 3000 小時。380LX/382LX 和 381LX/383LX 電容器有 2、4 和 5 針樣式，支持在 PC 板上精確、可靠的安裝。

圖 3：381LX 和相關的電容器采用卡入式 PC 板連接。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

直流鏈接：為實現直流鏈接，設計人員可以選擇 550C 型鋁電解質，如 [550C562T400DP2B]，和 947D 系列金屬化薄膜電容器，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 工作條件下壽命可達 20,000 小時。550C 電容器的 ESR 低至 7 毫歐 (mΩ)，采用螺紋端子，可連接到 PC 板或母線，并能處理高紋波電流。

947D 系列結合了逆變器設計所需的高電容和非常高的紋波電流能力。這些電容器的額定電壓為 900 至 1,300 V 直流 。它們在 +85°C 下的額定工作時間為 7000 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。

交流輸出諧波過濾：為了在惡劣的環境中提供交流輸出諧波過濾，設計人員可以使用通過 AEC-Q200 認證的 [ALH 系列]交流濾波電容器。根據加速式 85/85 溫度-濕度-偏置 (THB) 測試，這些電容器與標準電容器相比，壽命提升了 50%。它們具有較高的均方根 (RMS) 電流額定值，因此適合處理高頻 IGBT 型逆變器中的高階諧波。電容范圍從 0.22 到 50 微法拉 (μF)，電壓為 160 到 450 V 交流電 ，頻率為 50/60 赫茲 (Hz)。這些自愈式金屬化聚丙烯薄膜電容器采用堅固的板裝封裝（圖 4），工作溫度范圍為 -40℃ 至 +105℃。ALH 系列電容器在額定電壓下的預期壽命為 100,000 小時，熱點溫度為 +70℃。

圖 4：ALH 系列交流濾波電容器能夠在惡劣的環境中提供交流諧波輸出濾波，具有自愈功能，旨在通過通孔安裝在 PC 板上。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

超級電容器：針對需要超級電容器所能提供的瞬時爆發力的設計，Cornell Dubilier 推出了 [DGH 系列]和 [DSF 系列]。DGH 系列包括 21 種不同的數值/電壓組合，電容范圍從 0.5 到 600 F，額定工作工流電壓從 2.7 到 5.5 伏 ( 直流直流 )。DSF 超級電容器單元件可提供較高的 3.0 WV 直流 ，雙元件則可提供 6.0 WV 直流 （圖 5）。這種較高電壓規格使得能量密度提高了 24%。DSF 系列包括 17 種不同的值/電壓組合，電容范圍從 1.5 F 到 600 F。這兩個系列額定充放電次數均達 500,000 次。它們可以選擇通孔引線或卡入式引線，方便集成到 PC 板中。

3 級充電器電容器

交流輸入和諧波過濾：為了實現 3 級直流充電器支持的高功率水平，設計人員可以使用 PFCH 系列三相串聯電容器，如 [PFCHX48D20S108T]，其額定值為 76.8 μF 和 480 V 交流電 ，設計用于交流輸入諧波過濾。這些電容器由三個自愈式金屬化聚丙烯纏繞而成，它們以三角結構連接，并被封閉在一個圓柱形的鋁殼中。其額定工作壽命為 60,000 小時，存活率為 94%，等級失效時間 (FIT) ≤300 X 10^9^ 元件小時。它們包括一個壓力中斷器，在電容器報廢或過載的情況下讓所有三相電源脫開。它們符合 ANSI/IEEE 18 標準，按照 UL 810，其最大短路電流等級為 10 千安培 (kA)。

直流鏈接：直流鏈接電容器的選擇包括為 PC 板安裝而設計的 [BLH 直流鏈路]電容器（經測試在 +85℃ 溫度/ 85% 相對濕度下施加額定電壓的連續工作壽命為 1500 小時）以及像 0.47 μF、1.2 千伏直流 (kV 直流 ) 的 [474PMB122KSP2]的 474 系列薄膜電容器，后者設計成直接安裝在 IGBT 模塊上提供直流鏈接和濾波。

BLH 電容器的額定工作溫度為 -40°C 至 +105°C，在 +85°C 以上時額定電壓每 °C 降低 1.35%，它們符合 IEC 61071 和 AEC-Q200 要求。474PMB122KSP2 所屬的 474 系列電容器的額定工作溫度為 -40℃ 至 +100℃，超過 +85℃ 時，直流電壓下降 1.5%，交流電壓下降 2.5%。

直流輸出濾波：[944U] 系列大電流薄膜電容器提供 800、1000、1200 和 1400 V直流額定電壓選擇，額定電容為 33 μF 至 220 μF，+55°C 時額定 RMS 電流高達 75 A。高紋波能力是因為這些金屬化聚丙烯電容器的低電感內部結構所產生的結果。它們封裝在一個低矮的 UL94V0 阻燃級外殼中，直徑為 84.5 毫米 (mm)，底部有安裝法蘭和 M8 螺紋螺柱端子（圖 6）。根據額定值的不同，外殼高度有 40 mm、51 mm 或 64 mm。

圖 6：944U 薄膜電容器的螺紋連接可用于 PC 板或母線連接。（圖片來源：Cornell Dubilier Electronics）

結語

綜上所述，電動汽車充電器需要各種類型的電容器，才能確保可靠和高效的運行。Cornell Dubilier 提供了廣泛的電容器類型和安裝方式選擇，可支持 1、2 和 3 級高性能充電器的設計和制造。