薄膜電容器作為變頻器與逆變器的整流濾波電容器

1、薄膜電容器作為變頻器與逆變器的整流濾波電容器陳永真 遼寧工業(yè)大學(xué)摘要 作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，通常認(rèn)為其最主要的參數(shù)是額定電壓、電容量，通常采用電解電容器作為整流濾波電容器。但是在實(shí)際應(yīng)用中卻因?yàn)檫^大的紋波電流在濾波電解電容器的ESR產(chǎn)生熱，從而使濾波電容器的壽命大大減少。針對(duì)這個(gè)問題，本文介紹并分析了采用薄膜電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器的特點(diǎn)與應(yīng)用。事實(shí)表明，采用薄膜電容器作為變頻器/逆變器整流濾波電容器可以大大提高變頻器/逆變器的使用壽命。 關(guān)鍵詞 薄膜電容器 ESR 紋波電流 壽命Film capacitor used as smoothing capacitor

2、 of CVCF and inverterChen Yong-zhen LiaoNing University of TechnologyAbstract：Rating voltage and rating capacitance are generally believed as the main parameters of the smoothing capacitor of CVCF and inverter, electrolyte capacitor is usually used as smoothing capacitor. But the using life of the s

3、moothing capacitor is greatly reduced because of the heat generated by the excessive ripple current on the ESR of the smoothing electrolyte capacitor. To this problem, characteristics and application of pellicle capacitor used as smoothing capacitor of CVCF and inverter are introduced and analyzed.

4、Realities show that, the using life of the transducer and adverse converter will be greatly heightened by using film capacitor as CVCF and inverter capacitor. Key words：film capacitor ESR ripple current using life前言作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，其最主要的參數(shù)是額定電壓、電容量，通常采用電解電容器作為整流濾波電容器。但是電解電容器最大的缺點(diǎn)就是使用壽命問題，特別是在高溫條件下尤

5、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。在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)檫^大的紋波電流在濾波用電解電容器的ESR產(chǎn)生熱而是濾波用電解電容器的壽命大大減少，通常這個(gè)紋波電流確實(shí)無法見效的。紋波電流的產(chǎn)生主要有兩個(gè)方面：工頻整流濾波的紋波電流，在電容輸入時(shí)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(duì)于3相380V直接整流來說，每千瓦輸出大約需要濾波電容器濾掉6A以上的紋波電流，對(duì)于一個(gè)10千瓦的變頻器，濾波電容器需要濾掉60A甚至更高的紋波電流，當(dāng)然這個(gè)紋波電流可與通過在整流器與濾波電容器之間接一個(gè)電抗器來大大減小，但是產(chǎn)生紋波電流的另一個(gè)源（逆變器產(chǎn)生的紋波

6、電流）卻絕對(duì)不能采用串入電抗器解決；產(chǎn)生紋波電流的另一個(gè)原因就是逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的輸出頻率下的紋波電流和開關(guān)頻率下的紋波電流，逆變器輸出頻率的紋波電流大約為每千瓦2A與此同時(shí)還要產(chǎn)生開關(guān)頻率下的紋波電流，這兩個(gè)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(gè)濾波電流將在濾波電容器的ESR中產(chǎn)生明顯的功率損耗。由于成本的限制，直到現(xiàn)在，沒有一個(gè)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(duì)于需要較長(zhǎng)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(chǎng)合下，只能

7、是定期的報(bào)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(gè)nH。1 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(shí)通常應(yīng)用價(jià)格低廉的鋁電解電容器，當(dāng)電壓高于500V低于700V時(shí)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(chǎng)合與電壓高于1000V或更高時(shí)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(duì)于IGBT逆變器/變頻器由

8、于其IGBT工作在相對(duì)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(huì)在IGBT關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)很高的感生電勢(shì)，不僅增加IGBT的關(guān)斷損耗，而且這個(gè)感生電勢(shì)過高時(shí)還會(huì)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。以EPCOS的MKK電容器參數(shù)為例：B25645-A4180-J*-1的額定

9、參數(shù)：額定電容量（CN）：1000F±5%，額定電壓（UN）：80WS，最大紋波電流有效值（Imax）：60A，寄生電感（Lself）：5nH，DC400V，儲(chǔ)能（WN）：50×10-4，ESR：0.9m；最大參數(shù)：浪涌電壓（US）：450V，浪涌電流（IS）：損耗因數(shù)（tan0）（UTT）DC550V，10秒，絕緣電阻（Ris·C）：10000秒，5kA，（du/dt）S：5V/s；測(cè)試參數(shù)：損耗角正切（50Hz）：60×10-4。B25655-A1148-K000的額定參數(shù)：額定電容量（CN）：1450F±10%，額定電壓（UN）：1100

10、V，儲(chǔ)能（WN）：1100Ws，最大紋波電流有效值（Imax）：DC1250V，交流輸入電壓（Ui）：40nH，損耗因數(shù)（tan0）：2×10-4，ESR：0.8m；最大參數(shù)：交流135A，寄生電感（Lself）：1900V，交流輸入浪涌電流（I）：2kA，浪涌電輸入浪涌電壓（U）：1500V，浪涌電壓（US）：20kA，（du/dt）max：1V/s，（du/dt）S：14V/s；測(cè)試參數(shù)：（UTT）DC1900V，10秒，流（IS）：10000秒，損耗角正切（50Hz）：10×10-4。 （UTC）DC3500V，10秒，絕緣電阻（Ris·C）從上述兩電容器的

11、參數(shù)可以明顯看到：與鋁電解電容器相比，ESR、最大有效值電流、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(gè)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。如某種用鋁電解電容器濾波的變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1。圖1 某種用鋁電解電容器濾波的變頻器的結(jié)構(gòu)圖采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器的結(jié)構(gòu)如圖2。圖2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(duì)簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一個(gè)最大好處之一就是母線寄生電感更低，因?yàn)樽冾l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。2 變頻器專用薄膜濾波電容器的結(jié)構(gòu)與裝配方式圖3 EPCOS的B25645-A4180-J*-1變頻器專用薄膜濾波電容器的結(jié)構(gòu)以EPCOS的B25645-A4180-J*-1變頻器專用薄膜濾波電容器的結(jié)構(gòu)為例，如圖3。電容器的引出端為銅板，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(shí)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。再用L型固定夾板將電容器模塊固定在散熱器