逆變系統(tǒng)直流支撐電容器的應(yīng)用分析

1、引言 

在現(xiàn)代電力電子行業(yè)中，整流以及逆變電源系統(tǒng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。而在此電源系統(tǒng)中，直流支撐電容器的作用是防止因負(fù)載的突變?cè)斐芍绷髂妇€以及電容器本身的寄生電感產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)而導(dǎo)致直流母線電壓大幅度突變。本文主要介紹金屬化薄膜直流支撐電容器本身的雜散電感的減小方案以及產(chǎn)品內(nèi)部電流分布方案的探討。目的是最終使得DC-Link電容器產(chǎn)品具有較低的發(fā)熱損耗以及比較均勻的溫度分布。 

2、原理簡(jiǎn)述 

直流支撐電容器（即DC-Link電容器）在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用電路如圖1所示，圖中Ls為系統(tǒng)連線的寄生電感。 

圖 1  

在此應(yīng)用場(chǎng)合中，可以視IGBT逆變器為整流電路的負(fù)載，此開(kāi)關(guān)器件負(fù)載具有突變電流，而根據(jù)公式（1）可知 

V=L×di/dt-（1） 

突變電流在電感的作用下，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電路以及電容器產(chǎn)品本身雜散電感影響下，此感生電動(dòng)勢(shì)可能會(huì)達(dá)到數(shù)十甚至成上千伏，如此之高的突變電壓將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，甚至損壞系統(tǒng)。而直流支撐電容器的作用就是利用電容器電壓不能突變及電容器容抗隨頻率的升高而降低的特性，在一個(gè)很寬的頻帶范圍內(nèi)為系統(tǒng)提供低阻抗通道，從而降低直流母線的交流阻抗。根據(jù)公式（2） 

式中ω=2πf，ESL為雜散電感，ESR為等效串聯(lián)電阻 

由上式可知，電容器的阻抗不僅與電容量有關(guān)，同時(shí)還與等效串聯(lián)電阻、雜散電感、系統(tǒng)頻率有關(guān)。其阻抗|Z|與頻率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2所示 

圖 2 

從圖中可見(jiàn)，隨頻率增加，阻抗逐漸降低，在f=f0時(shí)，具有最低的阻抗，此即等效串聯(lián)電阻ESR；當(dāng)f＞f0時(shí)，電容器已不具有容抗性質(zhì)，而呈現(xiàn)感抗，這時(shí)電容器已失去作用。因此電容器工作頻率應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于諧振頻率。 

諧振頻率f0是由下式?jīng)Q定的： 

對(duì)于一個(gè)選定容量的電容器，希望電容器在較寬的頻帶下呈現(xiàn)容性，即要求擁有比較高的諧振頻率，則必然要求具有較小的雜散電感。 

另一方面，如果電容器的等效串聯(lián)電阻ESR比較大，則會(huì)出現(xiàn)在比較低頻的情況下，電容器的容抗低于ESR，這時(shí)，電容器的交流阻抗主要取決于ESR，從而不能很好地實(shí)現(xiàn)交流低阻抗的要求。對(duì)于此因素的影響本文不作過(guò)多討論。 

下面我們來(lái)看雜散電感ESL在DC-Link電容器中的主要成因。 

DC-Link電容器內(nèi)部等效電路圖如圖3所示： 

圖 3 

由于我們的DC-Link電容器產(chǎn)品使用的是金屬化聚丙烯薄膜電容器，由于其比容較小，因而要獲得比較大的容量,其體積相對(duì)而言比較大，產(chǎn)品內(nèi)部由多只芯子單元通過(guò)串、并聯(lián)組合而成。如果DC-Link電容器具有比較大的雜散電感，并且內(nèi)部連接不合理，就會(huì)造成產(chǎn)品內(nèi)部各芯子單元之間電流分布不均勻現(xiàn)象，在外部的表現(xiàn)就是產(chǎn)品局部溫升過(guò)高。而感抗隨頻率升高而增大，因此該現(xiàn)象在高頻情況下將會(huì)尤為明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器熱擊穿而造成事故。 

而薄膜DC-Link電容器內(nèi)部雜散電感ESL主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面： 

(1) 金屬化薄膜卷繞而成的芯子本身引起； 

(2) 芯子單元串、并聯(lián)引線或銅排引起； 

(3) 金屬外殼電感，此種情況為產(chǎn)品某一電極與金屬外殼相連而產(chǎn)生，其他情況無(wú)此項(xiàng)因素。 

對(duì)于以上三點(diǎn)原因的解決措施，我們將在下面的案例分析中做探討。 

3、案例分析 

下面以我司為某公司提供的DC-Link產(chǎn)品為例做具體分析： 

產(chǎn)品型號(hào)為MKP-LG6000μF/1200V.DC標(biāo)稱有效電流300A，外殼采用的是無(wú)磁不休鋼外殼。首先給出一組我們的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1 

表1MKP-LG6000μF產(chǎn)品過(guò)電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)摘錄 

備注：表1中個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)均在圖4中標(biāo)明；試驗(yàn)電流為310A；試驗(yàn)頻率為13.75kHz。 

從數(shù)據(jù)中我們分析，5號(hào)與7號(hào)以及6號(hào)與8號(hào)點(diǎn)，其溫差較大，達(dá)到8~10℃，并且在產(chǎn)品上表面（此為環(huán)氧面），其各點(diǎn)溫度也分布不均勻，溫差較大，影響產(chǎn)品可靠性。 

圖 4 

上述試驗(yàn)所用的產(chǎn)品為我司早期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，未曾考慮雜散電感的影響以及產(chǎn)品內(nèi)部電流分布的優(yōu)化，并且由于電容器本身在使用過(guò)程中，電流具有集中效應(yīng)，即電流會(huì)集中于電容器的上部。在上述方案中，產(chǎn)品內(nèi)部芯子排列結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單地表示如圖5 

圖 5 

由上圖可以看出，長(zhǎng)方形為接線銅板，由于銅板存在一定的電感，所以對(duì)于高頻電流，阻抗較大。根據(jù)公式I=U/Z=U/(XL+XR+XC) 

XL=2πfL-(4) 

Xc=1/(2πfc)-(5) 

（設(shè)2πf=ω）可知，當(dāng)頻率固定時(shí)，電感越大，感抗就越大。當(dāng)頻率較低時(shí)，例如在工頻50Hz時(shí)，電路中的雜散電感所產(chǎn)生的感抗Esl較低，遠(yuǎn)小于 Esc，因此Esl可忽略不計(jì)，而其中的Esr和Esc占主要影響地位。但當(dāng)電流頻率高達(dá)600kHz時(shí)，則容抗較低,約0.005Ω/mm，感抗非常大，約0.3Ω/mm，遠(yuǎn)大于Esc，在等效電路中占主要影響地位。若平均每1mm銅板的雜散電感約為1nH，而每個(gè)端子之間的距離為60mm，那么電路中總的雜散電感為60nH，而電容雜散為40nH，那么第一個(gè)電容的感抗為XL=40ω，第二個(gè)電容的感抗為XL=2Xl+Xc=160ω，第三個(gè)電容的感抗為：XL=4Xl+Xc=260ω。因?yàn)镮=U/XL=200A，所以電流經(jīng)過(guò)這三個(gè)的比值為I1:I2=4:1,I1:I3=6.5:1,由此得出 1.4I1=200A而其中流經(jīng)C1的電流最大，約為143A，流經(jīng)C2電流約為36A，而流經(jīng)C3電流約為21A。因此C1電流發(fā)熱嚴(yán)重，而C2發(fā)熱正常，C3發(fā)熱較少，這樣容易令C1燒壞，所以不能采取此種連接方式。同時(shí)，在頻率比較低的情況下，比如工頻50Hz，外殼材料對(duì)產(chǎn)品影響不大。但在頻率達(dá)到10kHz或以上時(shí)，產(chǎn)品在使用過(guò)程中，外殼材料如果帶有磁性，那么其本身也會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)加熱而發(fā)熱，從而對(duì)產(chǎn)品整體發(fā)熱產(chǎn)生不利影響。 

我們從四方面著手進(jìn)行方案改善。 

首先，我們根據(jù)單根矩形截面導(dǎo)線電感計(jì)算： 

式中A為矩形導(dǎo)線厚度，H為矩形導(dǎo)線寬度，l為矩形導(dǎo)線長(zhǎng)度 

鑒于內(nèi)部引線對(duì)雜散電感的影響，我們利用公式（6）估算導(dǎo)線電感量，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線截面以及長(zhǎng)度的調(diào)整，以達(dá)到在滿足產(chǎn)品過(guò)電流良好以及成本等綜合因素條件下，使得產(chǎn)品本身雜散電感盡量小，以達(dá)到減小電感部分熱損耗的目的。 

其次，我們通過(guò)對(duì)產(chǎn)品芯子連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使得產(chǎn)品各個(gè)芯子單元之間達(dá)到比價(jià)均勻的電流分布。圖6所示是我們調(diào)整之后的連接結(jié)構(gòu)： 

圖 6 

由圖6可知，同樣的器件，但是連接不同，其等效電路圖也不一樣。其條件同原有方案一樣，但其等效感抗不一樣。有等效電路圖可知，XL1=XL2=XL3=2πfL，而Esr和Esc三者數(shù)值相等，因此流經(jīng)每個(gè)電容的電流I=U/R=40A。這樣能使電流均勻地分布到每個(gè)電容上。這樣，就解決了電流分布不均而使電容部分電容發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。 

再次，我們通過(guò)對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部芯子端面連接方式進(jìn)行改善：改變以往以整片銅排直接連接的方式，通過(guò)對(duì)銅排進(jìn)行尺寸調(diào)整并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簦梢允沟勉~排本身雜散電感分布更加合理，并且同時(shí)減弱渦流對(duì)端面連接的影響，減少發(fā)熱。 

最后，由于無(wú)磁不銹鋼仍然帶有一定的磁性，中高頻條件下容易產(chǎn)生額外加熱，因此，我們將外殼材料更改為鋁材，大大消除了外殼本身加熱對(duì)產(chǎn)品整體溫升的影響。 

改進(jìn)后，產(chǎn)品的溫升效果如表2所示（測(cè)試點(diǎn)同表1）： 

表2 MKP-LG6000μF產(chǎn)品—改進(jìn)后，過(guò)電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)摘錄 

備注：溫度點(diǎn)7未測(cè)量到，測(cè)試電流及頻率與表1相同 

從表2數(shù)據(jù)分析，5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)點(diǎn)可見(jiàn)，產(chǎn)品外殼表面各點(diǎn)溫度分布比較均勻，溫差不超過(guò)3℃。并且從表1與表2各相應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可見(jiàn)改進(jìn)后的產(chǎn)品溫升較改進(jìn)前低，尤其是上端環(huán)氧表面，最高處低18.1℃。改進(jìn)效果十分明顯。 

4、結(jié)語(yǔ) 

此種方案不但解決了電流在電容器芯子組上的分布不均等問(wèn)題，而且降低了設(shè)備的損耗功率，從而提高了機(jī)器的使用壽命。 

隨著工業(yè)發(fā)展的需要與順應(yīng)環(huán)保節(jié)能的主題，逆變電源使用越來(lái)越廣泛，因此對(duì)其的技術(shù)要求更為嚴(yán)格。而對(duì)其核心部分-DC-Link電容器的質(zhì)量要求也隨之提高，我們通過(guò)充分考慮電容器內(nèi)部芯子排布、引線分布電感以及磁性材料加熱的影響，選用更優(yōu)化的接線方式和設(shè)計(jì)方案，使DC-Link電容器能夠滿足技術(shù)不斷發(fā)展的需求，反過(guò)來(lái)促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。