變頻器用薄膜濾波電容器的研制

1、變頻器用薄膜濾波電容器的研制楊柏祿 侯曉云 陳永真 遼寧工業(yè)大學(xué) 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，并闡述了薄膜電容器作為變頻器濾波電容的構(gòu)想，給出了一種實現(xiàn)的方案。并對實現(xiàn)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Research and development of film capacitors for smoothing in frequency converter applications Yang bailu Hou xiaoyun Chen yongzhen Liaoning University of Techno

2、logy 121001 Abstract: This paper makes an analysis of flaws of aluminum electrolytic capacitors for rectification and smoothing in frequency convertor applications,presents conceive of film capacitors as a smoothing capacitor,and gives a project of realization.Finally this paper also analyzes the pe

3、rformance of the project.Keywords: frequency convertor film capacitor aluminum electrolytic capacitor1. 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(yīng)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(yīng)用中通常采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(xiàn)良好，而且其價格低廉，這樣的性價比使得其在低壓領(lǐng)域表現(xiàn)出一定的優(yōu)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

4、/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(yīng)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(chǎn)生熱而使濾波用電解電容器的壽命大大減少。雖然實際中也采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(chǎn)生的紋波電流卻絕對不能采用串入電抗器解決；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(chǎn)生明顯的功率損耗?？梢姡瑸V波電容是整流濾波電路中必不可少的器件，并且應(yīng)在消除紋波電流的同時保持較高的可靠性，而傳統(tǒng)的鋁電解電容器在其壽

5、命的缺陷上給實際應(yīng)用帶來不小的麻煩。變頻器主流母線中的紋波電流的產(chǎn)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(tài)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，對于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，對于一個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(dāng)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(chǎn)生紋波電流的另一個源（逆變器產(chǎn)生的紋波電流）卻絕對不能采用串入電抗器解決。由于成本的限制，直到現(xiàn)在，沒有一個變頻器生產(chǎn)廠家將濾波用鋁電解電容器的紋波電流限制在電解

6、電容器的額定紋波電流以下，因此對于需要較長的應(yīng)用壽命應(yīng)用領(lǐng)域下的變頻器/逆變器采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，這樣既不利于確?？煽啃砸膊焕诘统杀臼褂谩Ｄ敲醋冾l器的直流不想上是否可以沒有濾波電容器？結(jié)論是絕對不可以的。在逆變器的開關(guān)管開關(guān)過程中，可以產(chǎn)生400A/s甚至更高的電流變化，在1H的電感上將產(chǎn)生400V的感生電勢，因此，需要用濾波電容器進(jìn)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于吸收逆變器產(chǎn)生的紋波電流，抑制逆變器中的開關(guān)管的開關(guān)過程而產(chǎn)生的過沖電壓。2

7、. 傳統(tǒng)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(shù)是額定電壓、電容量，并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(jìn)而影響著變頻器/逆變器的使用壽命。在實際應(yīng)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(yán)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。而且由于成本的限制，直到現(xiàn)在，沒有一個變頻器生產(chǎn)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

8、于需要較長的應(yīng)用壽命應(yīng)用領(lǐng)域下的變頻器/逆變器采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，這樣既不利于確?？煽啃砸膊焕诘统杀臼褂?，為此薄膜電容器進(jìn)入變頻器/逆變器濾波電容器領(lǐng)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1 m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，在電壓低于450V時通常應(yīng)用價格低廉的鋁電解電容器，當(dāng)電壓高于500V低于700V時仍可以應(yīng)用鋁電解電容器串聯(lián)的方式，但是在需要高可靠的場合與

9、電壓高于1000V或更高時則應(yīng)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并沒有什么特殊地方，但是對于IGBT逆變器/變頻器由于其IGBT工作在相對高速的硬開關(guān)狀態(tài)，如果直流母線存在較大的寄生電感，將會在IGBT關(guān)斷時出現(xiàn)很高的感生電勢，不僅增加IGBT的關(guān)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(chǎn)生的開關(guān)紋波電流在濾波電容器的ESR上產(chǎn)生損耗而發(fā)熱，縮短濾波電容器的壽命。采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(yīng)選擇低寄生電感、低ESR的濾

10、波電容器，可以選用專用于IGBT逆變器/變頻器的薄膜濾波電容器，如EPCOS的MKK電容器。但是由于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(shè)計中提出了一種方案來達(dá)到并超過專用薄膜電容器的標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計中采用了市面上常見的HBC 335J630V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=311.5mm，d=0.8mm。圖 5 HBC 335J630V電容器的幾何尺寸 圖 6 每層電容器的并聯(lián)形式將這304只薄膜電容器分兩層并聯(lián)起來，每層156個分6列并聯(lián)于340204mm的功率板上。層與層之間所有電容都成并聯(lián)形式這樣

11、總的容量能達(dá)到3.3F312=1029.6F，符合濾波電容容量要求，并且每只電容都能承受630V的直流電壓，滿足電壓要求。每一列的并聯(lián)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。最后，將兩層板用塑料外殼封裝，其外形尺寸（除引出電極）能達(dá)到32420580mm，其裝配圖如圖7所示。本設(shè)計的外部形狀及尺寸基本與同等級專用于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

12、寸為356195120mm，如果本設(shè)計中用三層薄膜電容器并聯(lián)則比EPCOS的容量增加50%多。圖 7 本設(shè)計變頻器用薄膜濾波電容器裝配圖另外，這里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(fù)極，實現(xiàn)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(chǎn)生的寄生電感也將非常小。然后用L型固定夾板將電容器模塊固定在散熱器上，完成電容器模塊的機械固定。下面給出本設(shè)計的電氣參數(shù)，并與EPCOS的MKK電容器和鋁電解電容器的參數(shù)進(jìn)行比較。本設(shè)計的額定參數(shù)：額定電容量（CN）：1000F5%，額定電壓（UN）：DC630V，儲能（WN）：200WS，最大紋波電流有

13、效值（Imax）：125A，寄生電感（Lself）：20nH，損耗因數(shù)（tan0）：5010-4，ESR：0.5m；最大參數(shù)：浪涌電壓（US）：880V，浪涌電流（IS）：5kA，（du/dt）S：7V/s。B25645-A4180-J*-1的額定參數(shù)：額定電容量（CN）：1000F5%，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(shù)（tan0）：5010-4，ESR：0.6m；最大參數(shù)：浪涌電壓（US）：450V，浪涌電流（IS）：4kA，（du/dt）S：5V/s。B25655-A1148-K000

14、的額定參數(shù)：額定電容量（CN）：1450F10%，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(shù)（tan0）：210-4，ESR：0.8m；最大參數(shù)：交流輸入浪涌電壓（U）：1500V，浪涌電壓（US）：1900V，交流輸入浪涌電流（I）：2kA，浪涌電流（IS）：20kA，（du/dt）max：1V/s，（du/dt）S：14V/s。從上述的參數(shù)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(shè)計變頻器用薄膜濾波電容器，它們的ESR、最大

15、有效值電流、寄生電感、浪涌電壓/額定電壓的比值、浪涌電流均明顯優(yōu)于鋁電解電容器，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(shè)計的變頻器用薄膜濾波電容器電氣參數(shù)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?guī)缀鯚o裝配寄生電感，在裝配上也有其優(yōu)勢，下面比較如下。某種鋁電解電容器濾波的變頻器的結(jié)構(gòu)如圖8。圖8 某種用鋁電解電容器濾波的變頻器的結(jié)構(gòu)圖采用本設(shè)計變頻器用薄膜濾波電容器的變頻器的結(jié)構(gòu)如圖9。圖9采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器的結(jié)構(gòu)圖通過兩圖比較可以看到，采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器結(jié)構(gòu)相對簡單。結(jié)構(gòu)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塊可以直接裝在母線板上，這樣所產(chǎn)生的寄生電感將明顯小于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(jié)論綜上所述，采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(yīng)用壽命，避免更換濾波電容器之苦和付出的成本代價，同時由于