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逆變系統直流支撐電容器的應用分析

2017-05-11  來自: 來恩偉業(鶴壁)電子科技有限責任公司 瀏覽次數:1292

逆變系統直流支撐電容器的應用分析

1、引言 

在現代電力電子行業中,整流以及逆變電源系統得到了長足的發展。而在此電源系統中,直流支撐電容器的作用是防止因負載的突變造成直流母線以及電容器本身的寄生電感產生感生電動勢而導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品內部電流分布方案的探討。目的是最終使得DC-Link電容器產品具有較低的發熱損耗以及比較均勻的溫度分布。 

2、原理簡述 

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


圖 1  

在此應用場合中,可以視IGBT逆變器為整流電路的負載,此開關器件負載具有突變電流,而根據公式(1)可知 

V=L×di/dt-(1) 

突變電流在電感的作用下,將會產生一個感生電動勢,當電路以及電容器產品本身雜散電感影響下,此感生電動勢可能會達到數十甚至成上千伏,如此之高的突變電壓將會對系統造成嚴重干擾,甚至損壞系統。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,在一個很寬的頻帶范圍內為系統提供低阻抗通道,從而降低直流母線的交流阻抗。根據公式(2) 


式中ω=2πf,ESL為雜散電感,ESR為等效串聯電阻 

由上式可知,電容器的阻抗不僅與電容量有關,同時還與等效串聯電阻、雜散電感、系統頻率有關。其阻抗|Z|與頻率的關系曲線見圖2所示 


圖 2 

從圖中可見,隨頻率增加,阻抗逐漸降低,在f=f0時,具有最低的阻抗,此即等效串聯電阻ESR;當f>f0時,電容器已不具有容抗性質,而呈現感抗,這時電容器已失去作用。因此電容器工作頻率應當遠小于諧振頻率。 

諧振頻率f0是由下式決定的: 


對于一個選定容量的電容器,希望電容器在較寬的頻帶下呈現容性,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電阻ESR比較大,則會出現在比較低頻的情況下,電容器的容抗低于ESR,這時,電容器的交流阻抗主要取決于ESR,從而不能很好地實現交流低阻抗的要求。對于此因素的影響本文不作過多討論。 

下面我們來看雜散電感ESL在DC-Link電容器中的主要成因。 

DC-Link電容器內部等效電路圖如圖3所示: 


圖 3 

由于我們的DC-Link電容器產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,其體積相對而言比較大,產品內部由多只芯子單元通過串、并聯組合而成。如果DC-Link電容器具有比較大的雜散電感,并且內部連接不合理,就會造成產品內部各芯子單元之間電流分布不均勻現象,在外部的表現就是產品局部溫升過高。而感抗隨頻率升高而增大,因此該現象在高頻情況下將會尤為明顯,嚴重時會引起電容器熱擊穿而造成事故。 

而薄膜DC-Link電容器內部雜散電感ESL主要來源有以下幾個方面: 

(1) 金屬化薄膜卷繞而成的芯子本身引起; 

(2) 芯子單元串、并聯引線或銅排引起; 

(3) 金屬外殼電感,此種情況為產品某一電極與金屬外殼相連而產生,其他情況無此項因素。 

對于以上三點原因的解決措施,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產品為例做具體分析: 

產品型號為MKP-LG6000μF/1200V.DC標稱有效電流300A,外殼采用的是無磁不休鋼外殼。首先給出一組我們的溫升試驗數據,見表1 

表1MKP-LG6000μF產品過電流試驗數據摘錄 


備注:表1中個數據采集點均在圖4中標明;試驗電流為310A;試驗頻率為13.75kHz。 

從數據中我們分析,5號與7號以及6號與8號點,其溫差較大,達到8~10℃,并且在產品上表面(此為環氧面),其各點溫度也分布不均勻,溫差較大,影響產品可靠性。 


圖 4 

上述試驗所用的產品為我司早期設計的結構,未曾考慮雜散電感的影響以及產品內部電流分布的優化,并且由于電容器本身在使用過程中,電流具有集中效應,即電流會集中于電容器的上部。在上述方案中,產品內部芯子排列結構可簡單地表示如圖5 


圖 5 

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

XL=2πfL-(4) 

Xc=1/(2πfc)-(5) 

(設2πf=ω)可知,當頻率固定時,電感越大,感抗就越大。當頻率較低時,例如在工頻50Hz時,電路中的雜散電感所產生的感抗Esl較低,遠小于 Esc,因此Esl可忽略不計,而其中的Esr和Esc占主要影響地位。但當電流頻率高達600kHz時,則容抗較低,約0.005Ω/mm,感抗非常大,約0.3Ω/mm,遠大于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,那么第一個電容的感抗為XL=40ω,第二個電容的感抗為XL=2Xl+Xc=160ω,第三個電容的感抗為:XL=4Xl+Xc=260ω。因為I=U/XL=200A,所以電流經過這三個的比值為I1:I2=4:1,I1:I3=6.5:1,由此得出 1.4I1=200A而其中流經C1的電流最大,約為143A,流經C2電流約為36A,而流經C3電流約為21A。因此C1電流發熱嚴重,而C2發熱正常,C3發熱較少,這樣容易令C1燒壞,所以不能采取此種連接方式。同時,在頻率比較低的情況下,比如工頻50Hz,外殼材料對產品影響不大。但在頻率達到10kHz或以上時,產品在使用過程中,外殼材料如果帶有磁性,那么其本身也會因為感應加熱而發熱,從而對產品整體發熱產生不利影響。 

  

我們從四方面著手進行方案改善。 

首先,我們根據單根矩形截面導線電感計算: 


式中A為矩形導線厚度,H為矩形導線寬度,l為矩形導線長度 

鑒于內部引線對雜散電感的影響,我們利用公式(6)估算導線電感量,通過對導線截面以及長度的調整,以達到在滿足產品過電流良好以及成本等綜合因素條件下,使得產品本身雜散電感盡量小,以達到減小電感部分熱損耗的目的。 

其次,我們通過對產品芯子連接結構進行調整,使得產品各個芯子單元之間達到比價均勻的電流分布。圖6所示是我們調整之后的連接結構: 


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三者數值相等,因此流經每個電容的電流I=U/R=40A。這樣能使電流均勻地分布到每個電容上。這樣,就解決了電流分布不均而使電容部分電容發熱嚴重的問題。 

再次,我們通過對產品內部芯子端面連接方式進行改善:改變以往以整片銅排直接連接的方式,通過對銅排進行尺寸調整并且進行適當的裁剪,可以使得銅排本身雜散電感分布更加合理,并且同時減弱渦流對端面連接的影響,減少發熱。 

最后,由于無磁不銹鋼仍然帶有一定的磁性,中高頻條件下容易產生額外加熱,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產品整體溫升的影響。 

改進后,產品的溫升效果如表2所示(測試點同表1): 

表2 MKP-LG6000μF產品—改進后,過電流試驗數據摘錄 


備注:溫度點7未測量到,測試電流及頻率與表1相同 

從表2數據分析,5號、6號、8號點可見,產品外殼表面各點溫度分布比較均勻,溫差不超過3℃。并且從表1與表2各相應點數據進行分析,可見改進后的產品溫升較改進前低,尤其是上端環氧表面,最高處低18.1℃。改進效果十分明顯。 

4、結語 

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題,而且降低了設備的損耗功率,從而提高了機器的使用壽命。 

隨著工業發展的需要與順應環保節能的主題,逆變電源使用越來越廣泛,因此對其的技術要求更為嚴格。而對其核心部分-DC-Link電容器的質量要求也隨之提高,我們通過充分考慮電容器內部芯子排布、引線分布電感以及磁性材料加熱的影響,選用更優化的接線方式和設計方案,使DC-Link電容器能夠滿足技術不斷發展的需求,反過來促進技術的進步。


關鍵詞: 逆變系統直流支撐電容器的應用分析           
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