薄膜電容器的使用要求和電性能參數(shù)(精)

1、薄膜電容器的使用要求和電性能參數(shù)電磁加熱設(shè)備把工頻的交流電或純直流電, 通過半橋 /全橋逆變技術(shù) , 變?yōu)楦哳l交流電 (1KHz 1MHz. 高頻交流電通過各種電感性負(fù)載后會產(chǎn)生高頻交變磁場 . 當(dāng)金屬物體處于高 頻交變磁場中 , 金屬分子會產(chǎn)生無數(shù)小渦流 . 渦流使金屬分子高速無規(guī)則運動 , 金屬分子間 互相碰撞、 磨擦而產(chǎn)生熱能 , 最終達(dá)到把電能轉(zhuǎn)換為熱能的目的 . 電磁加熱設(shè)備在我們的工作 和生活中大量的頻繁的使用 . 例如電磁爐 / 電磁茶爐 , 電磁爐 , 高頻淬火機(jī) , 封口機(jī) , 工業(yè)熔煉 爐等等 . 本文以三相大功率電磁灶為例 , 淺析薄膜電容器在電磁加熱設(shè)備中的應(yīng)用 .一

2、電磁灶三相全橋電路拓?fù)鋱D二 C1 C6 功能說明C1/C2:三相交流輸入濾波、紋波吸收, 提高設(shè)備抗電網(wǎng)干擾的能力C1,C2 和三相共模電感組成Pi 型濾波 , 在設(shè)備中起電磁干擾抑制和吸收的作用 . 該電路 一方面抑制 IGBT 由于高速開關(guān)而產(chǎn)生的電磁干擾通過電源線傳送到三相工頻電網(wǎng)中 , 影響 其他并網(wǎng)設(shè)備的正常使用 . 另一方面防止同一電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾信號通過電源 線傳送到三相工頻電網(wǎng)中 , 影響電磁加熱設(shè)備自身的正常使用 .(對內(nèi)抑制自身產(chǎn)生的干擾 , 對外抵抗其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾 , 具有雙面性EMC=EMI+EMS在實際使用中 ,C1 可以選擇 MKP-X2 型 (抑制

3、電磁干擾用固定電容器 , 容量范圍在 3 F-10F 之間 , 額定電壓為 275V.AC -300V.AC. 采用 Y 型接法 , 公共端懸空不接地 . C2 可 以選擇 MKP 型金屬化薄膜電容器 , 容量范圍在 3 F-10F 之間 , 額定電壓為 450V.AC -500V.AC , 采用三角形接法 .新晨陽C1 和 C2 原則上選用的電容量越大 , 那么對于電磁干擾的抑制和吸收效果越好 . 但是電 容量越大 , 那么設(shè)備待機(jī)時的無功電流就越大 . 耐壓方面要根據(jù)設(shè)備使用地域的電網(wǎng)情況而 合理保留一定的余量 , 防止夜間用電量非常小的時候 , 電網(wǎng)電壓過高而導(dǎo)致電容器電壓擊穿 或壽命受

4、到一定的影響 .C3: 整流后平滑濾波、直流支撐(DC-Link, 吸收紋波和完成交流分量的回路。C3 和扼流圈 L 組成 LC 電路 , 把三相橋式整流后的脈動直流電變?yōu)槠交闹绷麟?, 供后級 逆變橋及負(fù)載使用. 在電磁灶機(jī)芯實際電路中,C3 一般是由幾十微法的薄膜電容器組成 . 該 位置的薄膜電容器其實所起的作用是直流支撐(DC-LINK, 負(fù)責(zé)紋波的吸收和完成交流分量的回路 , 而不是很多人所認(rèn)為的(濾波 . 幾十微法的電容量 , 對于幾十千瓦的負(fù)載來說 , 所起 到的濾波作用是非常小的, 直流母線的電壓波形根本就無法變得很平滑. 由于 IGBT 的高速開 關(guān) , 會產(chǎn)生大量的高次諧波

5、電流及尖峰諧波電壓 . 如果沒有電容器作為諧波電流和尖峰電壓的吸收 , 那么直流母線回路會產(chǎn)生大量的自激振蕩, 影響 IGBT 等的安全使用及縮短壽命時間 . 因此 ,使用薄膜電容器作為直流母線紋波電壓和紋波電流的吸收是目前國內(nèi)外最常用的方法 之一。C3 原則上選用的電容量越大, 那么吸收效果越好. 但是需要注意的是電容量過大 , 容 易導(dǎo)致設(shè)備剛合閘上電的時候 , 由于電容器的瞬間充電電流過大而導(dǎo)致整流橋 , 保險管等過 流擊穿 . 在電磁灶機(jī)芯里 , 一般的選用原則是 :半橋方案 (1.5 F/KW全橋方案 (1.2 F/KW. 該 配置是根據(jù)常規(guī)的薄膜電容器能承受的 2A/ F 的設(shè)計工

6、藝所推斷。例如電磁灶半橋20KW 機(jī)型 , 需要的 C3 容量是 20*1.5=30 F C3 的總紋波電流是30*2=60A 全橋 20KW 機(jī)型 , 需要的 C3 容量是 20*1.2=24 F(實際可取 25-30 F C3 的總 紋波電流是 25*2=50A 建議實際選取的電容量及電容器能允許承受的紋波電流值不能低于 上述建議值。C3 位置必須要考慮電路實際需要的紋波電流值是否小于所選用的薄膜電容器能承受的 總紋波電流值 (還要保留一定的電流余量, 否則假如電路需要60A 的紋波電流 , 而選擇的電 容器總共能承受的紋波電流只有 40A, 那么會導(dǎo)致薄膜電容器發(fā)熱嚴(yán)重 , 長期過熱運行

7、 , 大大 降低薄膜電容器的使用壽命 , 嚴(yán)重的導(dǎo)致薄膜電容器膨脹鼓包 , 甚至起火燃燒 . 耐壓方面 , 一 般選擇額定電壓為 800-1000V.DC 即可 .C4: IGBT 的尖峰電壓 /電流吸收、緩沖和抑制 ,防止 IGBT 擊穿C4 作為 IGBT 的開通 /關(guān)斷尖峰吸收 , 一般用 C 型或者 RC 型接法 , 并接于 IGBT 的 CE 端 . 耐壓方面一般要根據(jù) IGBT 的額定電壓來選擇 , 并保留一定的電壓余量 . 電容量方面 , 一般可 取 0.01 F-0.033 F之間 , 要根據(jù)電路和 IGBT 之間的匹配情況來選擇最適合的電容量 .C4 位 置的電容器 , 必須

8、使用 dv/dt 值比較大的電容器型號 , 使用中要注意溫升是否在允許范圍里 . 如使用 RC 型接法 , 需要注意 R 發(fā)熱量巨大 , 布局的時候需要 R 與 C 保留一定的空間距離 , 防止 電容器受到過大的熱輻射 .C5: 諧振電容器 , 配合負(fù)載 (電感線圈、變壓器等形成 LC 諧振回路 .C5 作為諧振電容器 , 與 L 形成 LC 諧振回路 , 把功率輸送出去 . 在使用中要注意所選用的 電容器額定電壓是否足夠 (諧振電壓跟設(shè)備功率 , 負(fù)載材質(zhì) , 磁載率 , 負(fù)載到電感的距離 , 電路 Q 值等有關(guān) . 如所選擇的電容器額定電壓值比實際諧振電壓值低 , 那么容易出現(xiàn)電容器電壓

9、擊穿的情況 . 諧振電容器的電流選擇方面 , 最好先通過理論值計算 ,然后初步選擇電流值 , 待 設(shè)備功能滿足要求后 , 讓設(shè)備在最大功率的時候通過測量 LC 回路的峰值電流 /均方根值電流 的實際值后再進(jìn)行調(diào)整 . 如果實際通過的高頻電流值比電容器的額定電流值大 , 那么會導(dǎo)致 諧振電容器過熱運行 , 長期工作容易出現(xiàn)鼓包或者炸毀 , 甚至是起火的情況發(fā)生 . 電路的諧振 頻率也要在諧振電容器允許的頻率范圍內(nèi) .C6: 直流母線吸收電容, 就地吸收 , 緩沖和抑制 IGBT 開關(guān)時產(chǎn)生的尖峰電壓.C6 和 C3 同樣并接于直流母線的正負(fù)極上 . 但是由于結(jié)構(gòu)及布線回路等因數(shù)的制約 , 導(dǎo) 致

10、后端的 IGBT 遠(yuǎn)離 C3 電容 , 所以需要在后端的 IGBT 模塊的電源端直接鎖上一只母線吸收電 容 , 就地吸收 IGBT 產(chǎn)生的紋波電壓和紋波電流 .C6 在選擇的時候 , 耐壓方面一般按照IGBT 的 額定電壓來選擇. 盡量選擇紋波電流大,dv/dt大 , 雜散電感小的母線吸收電容 . 例如 MKPH -S 0.47 F 1 F 1.5 F 2 F 等型號 , 額定電壓 1200V.DC 的吸收電容器。三 薄膜電容器選型中常出現(xiàn)的問題A 額定電壓選擇不當(dāng)額定電壓選擇不當(dāng) , 出現(xiàn)最多的地方是諧振電路部分 (C5.研發(fā)人員應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的額 定功率 , 輸入電壓 , 電路拓?fù)?, 逆變

11、控制方式 , 負(fù)載材質(zhì) , 負(fù)載磁載率 , 電路 Q 值等參數(shù)作為綜 合考慮后作初步計算 . 待樣機(jī)初步達(dá)到要求后 , 需要用示波器加高壓電壓探頭 , 實際測量一下設(shè)備在最大功率的時候,諧振電容器兩端的峰峰值電壓 , 峰值電壓 , 均方根值電壓 , 諧振頻率 等參數(shù) , 用來判定所選擇的諧振電容器型號及參數(shù)是否正確 .B 額定電流選擇不當(dāng)額定電流選擇不當(dāng), 出現(xiàn)最多的地方是C3(直流支撐 和 C5(諧振 部份 . 實際需要的電流 值如果比電容器允許通過的電流值大, 那么會造成電容器發(fā)熱嚴(yán)重, 長期高溫工作 , 導(dǎo)致電容 器壽命大大降低, 嚴(yán)重的會炸毀甚至是起火燃燒. 在設(shè)備研發(fā)中 , 可以通過

12、專用的電流探頭或 其他方式 , 測量一下實際需要的峰值電流 ,均方根值電流 , 然后調(diào)整電容器的參數(shù) . 最終可通 過設(shè)備在滿功率老化測試中 , 測量一下電容器的溫升 , 根據(jù)電容器的溫升允許參數(shù)來判定電 容器的選擇是否恰當(dāng) . (電流測量及溫升情況來綜合評定C 接線方式不當(dāng)接線方式不當(dāng) , 主要出現(xiàn)在電容器多只并聯(lián)使用中 . 由于接線方式 , 走線距離不一致等 因數(shù) , 導(dǎo)致每只并聯(lián)的電容器在電路中分流不一致 . 最終體現(xiàn)在多只并聯(lián)的電容器 , 每只的溫 升都不一致 . 個別位置的電容器溫升過高 , 出現(xiàn)燒毀的情況 . 因此 , 需要對電容器的并聯(lián)使用 進(jìn)行合理的布線及連接 , 盡量要做到均流 , 提高電容器的使用壽命 .四 薄膜電容器使用中的波形參考C3 電壓基波波形 (505V/300HZ C3 紋