变频器中整流滤波电解电容器的性能分析

　　变频器中整流滤波电解电容器的感导

　　电解电容器作为变频器/逆变器的┞符流滤波电容器，一般认为：电解电容器的最首要的参数是额定电压、电容量，常日采用电解电容器作为整流滤波电容器，这种思惟是受常规电子手艺的单相整流电路的影响。在三相整流电路中，每个电源周期共有6个波头，如采用电容器滤波，则每个波头仅1/3的时辰是整流器导通向输出供电，剩下的2/3的时辰，输出功率就只能登载容器供应，这个时辰约为电源周期的1/9，即2.22mS。以输出功率为30kW的变频器，滤波电容器常日采用3300μF/400V电解电容器两串两并。在这种负载前提下的┞符流输出的平均值电流约为50A。在整流器不工作的2.2mS的时辰内，滤波电容器因为放电造成的电压下降为33"35V，是600V整流输出平均电压的0.055，如考虑电解电容器的等效串联电阻约为68mΩ，50A纹波电流下的ESR电压降将达到3.5V，这时的纹波电压幅值将跨越6%，约为没有电容器滤波时的一半，注解整流输出滤波电容器实际上不是用来滤波的，而是用来接收来自整流器和逆变器的纹波电流。

　　变频器主流母线中的纹波电流的发生首要有两个方面：工泼魅整流滤波的纹 波电流，举例来说对于3相380V直接整流来说，每千瓦输出除夜约需要滤波电容器流过6A以汕９依υ波电流，对于一个30千瓦的变频器，滤波电容器需要滤掉落90A甚至更高的纹波电流，当然这个纹波电流可与经由过程在整流器与滤波电容器之借居一个电抗器来除夜除夜减小。然则发生纹波电流的另一个源(逆变器发生的纹波电流)却绝对不克不及采用串入电抗器解决;发生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时发生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流，逆变器输出频率的纹波电流以逆变器驱动感应电念头为例，要发生很高幅值的开关频率下的纹波电流，第二种纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消弭掉落的，只能行使滤波电容器来接收，如变频器驱动30kW的感应电机时，变频器的直流母线上至少要发生60A的纹波电流!这个滤波电流将在滤波电容器的ESR中发生明明的功率损耗。因为成本的限制，直到如今，没有一个变频器分娩厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下，是以对于需要较长的应用寿命应用范畴下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不按期替代滤波电容器，而在不克不及按期替代滤波电容器的场合下，只能是按期的报废变频器/逆变器，如许既晦气于确保靠得住性也晦气于低成本哄骗。

　　那么变频器的直流母线上是否可以没有滤波电容器?结论是绝对弗成以的。在逆变器的开关管开关过程中，可以发生400A/μs甚至更高的电流改变，在1μH的电感大将发生400V的感生电势，是以，需要用滤波电容器进一步减小主流母线的寄生电感。为了降低逆变器直流母线的寄生电感所引起的阻抗，需要降低逆变器直流母线的阻抗，最简单的举措办法就是在直流母线上并接低ESR同时也是低ESL的电容器，即常日电子市场上经常说的突波接收电容器。

　　除夜膳绫擎理会可以看到：整流滤波电容器的感导实际上更倾向于接收逆变器发生的纹波电流，按捺逆变器中的开关管的开关过程而发生的过冲电压。降低直流母线阻抗。

　　电解电容器的纹波电流与寿命的关系

　　变频器/逆变器滤波与腻滑一般是采用电解电容器，对于三相380V输入的┞符流电路，常日采用两只额定电压400V或450V的电解电容器串联应用。

　　例如一个输出功率为30kW的变频器，整流滤波电容器可以采用四只3300μF/400V电解电容器两串两并实现。以常日认为机能很好的日立变频器用HCGF5A的电解电容器为例：40℃时的额定纹波电流为22.2A，而在85℃按日立公司的┞粉算方式，对应额定纹波电流将降低到8.2A，两只并联也不过是16.4A。不仅如斯，寿命也仅能在85℃温度下包管2000小时。而整流器的纹波电流就是接近60A!，加上逆变器的60A纹波电流，电解电容器间处于什么状况?这两个纹波电流即使按均方根值较劲争论也将达到85A以上，是40℃下的额定电流的近4倍!这时的滤波电容器的寿命将会如何呢?

　　

dth=421 border=0>

　　图1 变频器用滤波电解电容器的寿命与环境温度、纹波电流的关系 (日立电解电容器的数据表中没有给出如许的曲线)。

　　除夜图中可以看到，除夜型电解电容器即使在环境温度为40℃是的极限电流有效值也不会跨越额定电流值的3倍，并且寿命仅仅达到了最高工作温度的寿命值。假如真得在这种前提下工作，变频器能包管的寿命仅仅是3个月。假如电解电容器的环境温度进一步升高，寿命还将进一步缩短。

　　影响变频器机能的电解电容器特征

　　a.电解电容器的ESR

　　在变频器中，所有的纹波电流流过电解电容器，这个纹波电流在电解电容器的ESR发生功耗并编成焦耳热。以30kW变频器为例，并联在直流母线的电解电容器总的ESR约为60"90mΩ，纹波电流越位80"90A，在两并两串的电解电容器大将发生40"70W的功耗，每个电解电容器所发生的损耗约为10"20W。对于散热机能很差的电解电容器，这将发生对照高的温升，进一步缩短了电解电容器的寿命。

　　b.电解电容器的阻抗频率特征

　　电解电容器的阻抗频率特征的高频段首要显示电解电容器的感抗。关于电解电容器的寄生电感，很多电解电容器分娩厂商没有给出这个参数。然则，在实际应用中电解电容器的寄生电感将直接影响逆变器的机能。如两只串联的电解电容器的寄生电感为200nH，在电流改变率为500A/μs时，将在直流母线上发生100V的感生电势，将增添逆变器的开关损耗和电磁干扰。

　　c.对电解电容器机能的修补

　　为认识决电解电容器的ESR、ESL对逆变器机能的影响。常日要在直流母线上并接变频器专用缓冲电容器来降低直流母线的阻抗。

　　d.电解电容器的首要参数

　　电解电容器的首要参数如表1。

　　

　　电解电容器的首要参数在不合温度下的纹波电流倍乘系数如表2

　　

　　经由过程折算，日立HCGF5A2G332Y电解电容器在85℃前提下的额定电流为：

　　22.4 x 0.37 = 8.214(A)

　　明明低于RIFA-EVOX、CDE电解电容器，也低于EPCOS电解电容器。

　　电解电容器的首要参数在不合频率下的纹波电流倍乘系数如表3

　　

　　经由过程表1"表3可以看到EVOX - RIFA所给的数据对照完全，其他的需要附加数据(如表2、表3)和一些特征曲线补充，EPCOS、CDE响应的给出如图1的寿命与温度、纹波电流的关系曲线、阻抗频率特征以及其它相关特征曲线。如许就根底能对照完整的表述电解电容器的根底特征，响应的日立电解电容器则没有给出完整的数据。

　　电解电容器：一种无奈的选择

　　在很长的一段时辰内，变频器设计工程师首要存眷电力半导体器件的进展，历久忽视电力电子范畴中的无源器件的刷新，当电力半导体器件成长到必然程度，电力电子电路机能将可能受到无源器件的约束，电解电容器就是最光鲜的例子。

　　作为变频器/逆变器的┞符流滤波电容器，其最首要的参数是额定电压、电容量，常日采用电解电容器作为整流滤波电容器。然则电解电容器最除夜的瑕玷就是哄骗寿命问题，迥殊是在高温前提下尤为明明，电解电容器的寿命直接影响着变频器/逆变器的哄骗寿命。在实际应用中因为过除夜的纹波电流在滤波用电解电容器的ESR发生热而是滤波用电解电容器的寿命除夜除夜削减，常日这个纹波电流确实无法奏效的。

　　纹波电流的发生首要有两个方面：工泼魅整流滤波的纹波电流;发生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时发生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流，这两个纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消弭掉落的，只能行使滤波电容器来接收，这个滤波电流将在滤波电容器的ESR中发生明明的功率损耗。因为成本的限制，直到如今，没有一个变频器分娩厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下，是以对于需要较长的应用寿命应用范畴下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不按期替代滤波电容器，而在不克不及按期替代滤波电容器的场合下，只能是按期的报废变频器/逆变器，如许既晦气于确保靠得住性也晦气于低成本哄骗，为此薄膜电容器进入变频器/逆变器滤波电容器范畴成为必然，其原因就是薄膜电容器的ESR可以做得极低，可以在1 mΩ以下，不仅如斯，薄膜电容器的寄生电感也异常之低，仅几个nH。

　　滤波与腻滑用薄膜电容器

　　滤波与腻滑用电容器是用来腻滑整流器输出的电压、电流，在电压低于450V时常日应用代价低廉的铝电解电容器，当电压高于500V低于700V时仍可以应用铝电解电容器串联的体式技俩，然则在需要高靠得住的场合与电压高于1000V或更高时则应用薄膜电容器作为滤波电容器为好。

　　一般腻滑与滤波的薄膜电容器并没有什么不凡处所，然则对于IGBT逆变器/变频器因为其IGBT工作在相对高速的硬开关状况，假如直流母线存在较除夜的寄生电感，将会在IGBT关断时泛起很高的感生电势，不仅增添IGBT的关断损耗，并且这个感生电势过高时还会击穿IGBT。不仅如斯，滤波电容器存在较除夜的ESR，IGBT逆变器/变频器所发生的开关纹波电流在滤波电容器的ESR上发生损耗而发烧，缩短滤波电容器的寿命。采用薄膜电容器作为变频器的滤波电容器将消弭按期替代铝电解电容器的问题。

　　是以欲提高IGBT逆变器/变频器的靠得住性应选择低寄生电感、低ESR的滤波电容器，可以选用专用于IGBT逆变器/变频器的薄膜滤波电容器。以EPCOS的MKK电容器参数为例：

　　B25645-A4180-J***-1的额定参数：额定电容量(CN)：1000μF±5%，额定电压(UN)：DC400V，储能(WN)：80WS，最除夜纹波电流有效值(Imax)：60A，寄生电感(Lself)：5nH，损耗因数(tanδ0)：50×10-4，ESR：0.9mΩ;最除夜参数：浪涌电压(US)：450V，浪涌电流(IS)：5kA，(du/dt)S：5V/μs;测试参数：(UTT)DC550V，10秒，绝缘电阻(Ris?C)：≥10000秒，损耗角正切(50Hz)：≤60×10-4。

　　B25655-A1148-K000的额定参数：额定电容量(CN)：1450μF±10%，额定电压(UN)：DC1250V，交流输入电压(Ui)：1100V，储能(WN)：1100Ws，最除夜纹波电流有效值(Imax)：135A，寄生电感(Lself)：40nH，损耗因数(tanδ0)：2×10-4，ESR：0.8mΩ;最除夜参数：交流输入浪涌电压(U)：1500V，浪涌电压(US)：1900V，交流输入浪涌电流(I)：2kA，浪涌电流(IS)：20kA，(du/dt)max：1V/μs，(du/dt)S：14V/μs;测试参数：(UTT)DC1900V，10秒，(UTC)DC3500V，10秒，绝缘电阻(Ris?C)：≥10000秒，损耗角正切(50Hz)：≤10×10-4。

　　除夜上述两电容器的参数可以明明看到：与铝电解电容器比拟，ESR、最除夜有效值电流、寄生电感、浪涌电压/额定电压的比值、浪涌电流均明明优于铝电解电容器，还有一个首要成分就是薄膜电容器的寿命是铝电解电容器所无法比拟的。如某种用铝电解电容器滤波的变频器的构造如图2。

　　

　　采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器的构造如图3。

　　

　　经由过程两图对照可以看到，采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器构造相对简单。构造简单的一个最除夜长处之一就是母线寄生电感更低，因为变频器专用电容器模块可以直接装在母线板上，如许所发生的寄生电感将明明小于装在散热器旁边的铝电解电容器用铜板或母线邻接到IGBT的体式技俩。

　　变频器专用薄膜滤波电容器的构造与装配体式技俩

　　以EPCOS的B25645-A4180-J***-1变频器专用薄膜滤波电容器的构造为例，如图4。电容器的引出端为铜板，装配体式技俩可所以将电极用螺栓固定在直流母线板的┞俘、负极，实现电气邻接，如许的电气邻接电容器与直流母线所围困的空间将异常小，因而所发生的寄生电感也将异常小。再用L型固定夹板将电容器模块固定在散热器上，完成电容器模块的机械固定，如图3的安装体式技俩 。

　　

　　综上所述，采用薄膜电容器作为变频器/逆变器的┞符流滤波电容器不仅可以除夜除夜提高变频器/逆变器的应用寿命，避免替代滤波电容器之苦和付出的成本价值，同时因为薄膜电容器的低ESR使你便电路中的开关管上的电压应力除夜除夜减小，有利于开关管的工作状况与靠得住性。

迎接转载，本文来自电子发烧友网(http:///)