最新变频器用薄膜滤波电容器的研制.docx

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最新变频器用薄膜滤波电容器的研制

变频器用薄膜滤波电容器的研制

變頻器用薄膜濾波電容器的研製

楊柏祿侯曉雲陳永真遼寧工業大學121001

摘要：

本文分析了電解電容器作為變頻器中整流濾波電容的弊端，並闡述了薄膜電容器作為變頻器濾波電容的構想，給出了一種實現的方案。

並對實現的方案的性能給予分析。

敘詞：

變頻器薄膜電容器電解電容器工作壽命

Researchanddevelopmentoffilmcapacitorsforsmoothinginfrequencyconverterapplications

YangbailuHouxiaoyunChenyongzhenLiaoningUniversityofTechnology121001

Abstract:

Thispapermakesananalysisofflawsofaluminumelectrolyticcapacitorsforrectification

andsmoothinginfrequencyconvertorapplications,presentsconceiveoffilmcapacitorsasasmoothingcapacitor,andgivesaprojectofrealization.Finallythispaperalsoanalyzestheperformanceoftheproject.

Keywords:

frequencyconvertorfilmcapacitoraluminumelectrolyticcapacitor

1.前言

電力電子電容器所處的裝置的特殊性，要求電力電子電容器應具有極高的可靠性，作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，就是一種電力電子電容器，實際應用中通常採用電解電容器作為整流濾波電容器。

就是因為其性能在450V以下還能夠表現良好，而且其價格低廉，這樣的性價比使得其在低壓領域表現出一定的優勢，但是電解電容器最大的缺點就是使用壽命問題，特別是在高溫條件下尤為明顯，電解電容器的壽命直接影響著變頻器/逆變器的使用壽命。

這就與電力電子電容器要求具有極高的可靠性相矛盾。

在實際應用中，壽命問題主要因為過大的紋波電流在濾波用電解電容器的ESR產生熱而使濾波用電解電容器的壽命大大減少。

雖然實際中也採用了一定的措施消除紋波，即在特定情況下紋波電流可與通過在整流器與濾波電容器之間接一個電抗器來大大減小，但是逆變器產生的紋波電流卻絕對不能採用串入電抗器解決；而這個紋波電流是所有變頻器/逆變器無法自身消除掉的，只能利用濾波電容器來吸收，這個濾波電流將在濾波電容器的ESR中產生明顯的功率損耗。

可見，濾波電容是整流濾波電路中必不可少的器件，並且應在消除紋波電流的同時保持較高的可靠性，而傳統的鋁電解電容器在其壽命的缺陷上給實際應用帶來不小的麻煩。

變頻器主流母線中的紋波電流的產生主要有兩個方面：

工頻整流濾波的紋波電流，在電容輸入濾波工作狀態時濾波電路中尤為明顯，其紋波電流的有效值大約為整流輸出電流平均值的3倍或更高，對於3相380V直接整流來說，每千瓦輸出大約需要濾波電容器流過6A以上的紋波電流，對於一個30千瓦的變頻器，濾波電容器需要濾掉90A甚至更高的紋波電流，當然這個紋波電流可與通過在整流器與濾波電容器之間接一個電抗器來大大減小。

但是產生紋波電流的另一個源（逆變器產生的紋波電流）卻絕對不能採用串入電抗器解決。

由於成本的限制，直到現在，沒有一個變頻器生產廠家將濾波用鋁電解電容器的紋波電流限制在電解電容器的額定紋波電流以下，因此對於需要較長的應用壽命應用領域下的變頻器/逆變器採用電解電容器作為濾波電容器將不得不定期更換濾波電容器，而在不能定期更換濾波電容器的場合下，只能是定期的報廢變頻器/逆變器，這樣既不利於確保可靠性也不利於低成本使用。

那麼變頻器的直流BUS上是否可以沒有濾波電容器？

結論是絕對不可以的。

在逆變器的開關管開關過程中，可以產生400A/μs甚至更高的電流變化，在1μH的電感上將產生400V的感生電勢，因此，需要用濾波電容器進一步減小主流母線的寄生電感。

從上面分析可以看到：

整流濾波電容器的作用實際上更傾向於吸收逆變器產生的紋波電流，抑制逆變器中的開關管的開關過程而產生的過沖電壓。

2.傳統濾波電容器的替代方案

由上面的分析可知，作為變頻器/逆變器的整流濾波電解容器，其最主要的參數是額定電壓、電容量，並且電解電容器最大的缺點就是使用壽命問題，特別是在高溫條件下尤為明顯，進而影響著變頻器/逆變器的使用壽命。

在實際應用中紋波電流對電解電容器的影響很大，而且在很大程度上某些紋波影響不可避免。

再加上電解電容器本身的高ESR使得在其上面的功率損耗很大，這部分損耗都以熱得形式釋放出來，嚴重影響電解電容器的壽命，而且ESR始終比其他類型電容器要大，無法從根本上解決。

而且由於成本的限制，直到現在，沒有一個變頻器生產廠家將濾波用鋁電解電容器的紋波電流限制在電解電容器的額定紋波電流以下，因此對於需要較長的應用壽命應用領域下的變頻器/逆變器採用電解電容器作為濾波電容器將不得不定期更換濾波電容器，而在不能定期更換濾波電容器的場合下，只能是定期的報廢變頻器/逆變器，這樣既不利於確保可靠性也不利於低成本使用，為此薄膜電容器進入變頻器/逆變器濾波電容器領域成為必然，其原因就是薄膜電容器的ESR可以做得極低，可以在1mΩ以下，不僅如此，薄膜電容器的寄生電感也非常之低，僅幾個nH。

3．濾波與平滑用薄膜電容器

濾波與平滑用電容器是用來平滑整流器輸出的電壓、電流，在電壓低於450V時通常應用價格低廉的鋁電解電容器，當電壓高於500V低於700V時仍可以應用鋁電解電容器串聯的方式，但是在需要高可靠的場合與電壓高於1000V或更高時則應用薄膜電容器作為濾波電容器為好。

一般平滑與濾波的薄膜電容器並沒有什麼特殊地方，但是對於IGBT逆變器/變頻器由於其IGBT工作在相對高速的硬開關狀態，如果直流母線存在較大的寄生電感，將會在IGBT關斷時出現很高的感生電勢，不僅增加IGBT的關斷損耗，而且這個感生電勢過高時還會擊穿IGBT。

不僅如此，濾波電容器存在較大的ESR，IGBT逆變器/變頻器所產生的開關紋波電流在濾波電容器的ESR上產生損耗而發熱，縮短濾波電容器的壽命。

採用薄膜電容器作為變頻器的濾波電容器將消除定期更換鋁電解電容器的問題。

因此欲提高IGBT逆變器/變頻器的可靠性應選擇低寄生電感、低ESR的濾波電容器，可以選用專用於IGBT逆變器/變頻器的薄膜濾波電容器，如EPCOS的MKK電容器。

但是由於市場上這類專用薄膜濾波電容型號單一，價格昂貴，而且很難買到，所以本設計中提出了一種方案來達到並超過專用薄膜電容器的標準。

本設計中採用了市面上常見的HBC335J630V電容器304只，電容器形狀以及尺寸如圖5所示。

其中L=33mm，H=22mm，T=13mm，S=31±1.5mm，d=0.8mm。

圖5HBC335J630V電容器的幾何尺寸圖6每層電容器的並聯形式

將這304只薄膜電容器分兩層並聯起來，每層156個分6列並聯於340×204mm的功率板上。

層與層之間所有電容都成並聯形式這樣總的容量能達到3.3μF×312=1029.6μF，符合濾波電容容量要求，並且每只電容都能承受630V的直流電壓，滿足電壓要求。

每一列的並聯形式如圖6所示，其中每個電容器之間都用絕緣隔熱的材料相隔，以減小電容器單體對其他電容器的影響，而且每列電容器之間留出0.5mm的絕緣距離。

最後，將兩層板用塑膠外殼封裝，其外形尺寸（除引出電極）能達到324×205×80mm，其裝配圖如圖7所示。

本設計的外部形狀及尺寸基本與同等級專用於IGBT逆變器/變頻器的薄膜濾波電容器相同。

而且在高度上還有所減小，也就意味著如果在同等高度下，可以用增加板層的方式擴充電容量，如EPCOS的B25645-A4180-J***-1，其外形尺寸為356×195×120mm，如果本設計中用三層薄膜電容器並聯則比EPCOS的容量增加50%多。

圖7本設計變頻器用薄膜濾波電容器裝配圖

另外，這裡的電極引出端為銅板，裝配方式可以是將電極用螺栓固定在直流母線板的正、負極，實現電氣連接，這樣的電氣連接電容器與直流母線所包圍的空間將非常小，因而所產生的寄生電感也將非常小。

然後用L型固定夾板將電容器模組固定在散熱器上，完成電容器模組的機械固定。

下面給出本設計的電氣參數，並與EPCOS的MKK電容器和鋁電解電容器的參數進行比較。

本設計的額定參數：

額定電容量（CN）：

1000μF±5%，額定電壓（UN）：

DC630V，儲能（WN）：

200WS，最大紋波電流有效值（Imax）：

125A，寄生電感（Lself）：

20nH，損耗因數（tanδ0）：

50×10-4，ESR：

0.5mΩ；最大參數：

浪湧電壓（US）：

880V，浪湧電流（IS）：

5kA，（du/dt）S：

7V/μs。

B25645-A4180-J***-1的額定參數：

額定電容量（CN）：

1000μF±5%，額定電壓（UN）：

DC400V，儲能（WN）：

80WS，最大紋波電流有效值（Imax）：

60A，寄生電感（Lself）：

15nH，損耗因數（tanδ0）：

50×10-4，ESR：

0.6mΩ；最大參數：

浪湧電壓（US）：

450V，浪湧電流（IS）：

4kA，（du/dt）S：

5V/μs。

B25655-A1148-K000的額定參數：

額定電容量（CN）：

1450μF±10%，額定電壓（UN）：

DC1250V，交流輸入電壓（Ui）：

1100V，儲能（WN）：

1100Ws，最大紋波電流有效值（Imax）：

135A，寄生電感（Lself）：

40nH，損耗因數（tanδ0）：

2×10-4，ESR：

0.8mΩ；最大參數：

交流輸入浪湧電壓（U）：

1500V，浪湧電壓（US）：

1900V，交流輸入浪湧電流（I）：

2kA，浪湧電流（IS）：

20kA，（du/dt）max：

1V/μs，（du/dt）S：

14V/μs。

從上述的參數可以明顯看到：

與鋁電解電容器相比，無論是EPCOS的MKK電容器還是本設計變頻器用薄膜濾波電容器，它們的ESR、最大有效值電流、寄生電感、浪湧電壓/額定電壓的比值、浪湧電流均明顯優於鋁電解電容器，還有一個重要因素就是薄膜電容器的壽命是鋁電解電容器所無法相比的。

而且本設計的變頻器用薄膜濾波電容器電氣參數與EPCOS的MKK電容器相近，而且其耐壓更高、ESR效果更好、電容容量還有增加的空間。

如果直流母線板工藝好的話，寄生電感還可能更低。

而且幾乎無裝配寄生電感，在裝配上也有其優勢，下面比較如下。

某種鋁電解電容器濾波的變頻器的結構如圖8。

圖8某種用鋁電解電容器濾波的變頻器的結構圖

採用本設計變頻器用薄膜濾波電容器的變頻器的結構如圖9。

圖9採用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器的結構圖

通過兩圖比較可以看到，採用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器結構相對簡單。

結構簡單的一個最大好處之一就是母線寄生電感更低，因為變頻器專用電容器模組可以直接裝在母線板上，這樣所產生的寄生電感將明顯小於裝在散熱器旁邊的鋁電解電容器用銅板或母線連接到IGBT的方式。

結論

綜上所述，採用薄膜電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器不僅可以大大提高變頻器/逆變器的應用壽命，避免更換濾波電容器之苦和付出的成本代價，同時由於薄膜電容器的低ESR使逆變電路中的開關管上的電壓應力大大減小，有利於開關管的工作狀態與可靠性。

參考文獻

[1]陳永真．電容器原理及其應用．科學出版社，200510，230～240．

作者簡介

楊柏祿，男，遼寧工業大學電力電子與電力傳動碩士研究生，主要從事電力電子方面的研究。

侯曉雲，女，遼寧工業大學電力電子與電力傳動碩士研究生，主要從事電力電子方面的研究。

陳永真，男，1956年生，副教授，中國電源學會常務理事，中國電力電子學會理事，遼寧工業大學電力電子與電力傳動碩士導師，主要從事電力電子技術教學科研工作。