DC-LINK電容器及其參數選取

中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司 歐亞杰 李韓櫻

DC-LINK電容器及其參數選取

中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司 歐亞杰 李韓櫻

1.引言

直流電作為逆變器的供電電源時，直流電源需要通過直流母線與逆變器鏈連，這種供電方式也被稱為DC-Link。由于逆變器需要DC-Link獲取有效值和幅值很高的脈動電流，在DC-Link上產生很高的脈動電壓使得逆變器難以承受。為此，需要對DC-Link進行支撐，以確保DC-Link的供電質量。在大多數情況下，支撐DC-Link的元件是電容器。DC-Link電容器的作用主要是吸收來自于逆變器向DC-Link索取的高幅值脈動電流，阻止其在DC-Link的阻抗上產生高幅值脈動電壓，使逆變器端的電源電壓波動保持在允許范圍。DC-Link電容器的第二個作用就是防止來自于DC-Link的電壓過沖和瞬時過電壓對逆變器的影響。

2.金屬化金屬化膜電容器的優勢

金屬化膜電容器采用厚度為3 μm～10 μm的聚合物薄膜作為儲能介質，電極采用納米級厚度的蒸鍍金屬。在外加電壓作用下，介質中的電弱點首先發生擊穿。電弱點的形成有兩種方式：一種是薄膜生產過程中引入的雜質或缺陷；另一種是由于薄膜老化而產生新的電弱點。當電弱點擊穿后，電弱點周圍薄膜儲存的能量快速向擊穿點注入，電弱點及其周圍的金屬電極迅速蒸發，電容器絕緣恢復，這一過程稱為“自愈”。金屬化膜的自愈性能使得金屬化膜電容器的工作電壓得到明顯提升，電容器的儲能密度得到顯著提升。

金屬化膜電容器具有的許多優勢，金屬化膜電容器在DC濾波上用來替代電解電容是一個趨勢。使用DC-LINK平滑濾波金屬化膜電容器，可以使金屬化膜電容器比電解電容更加經濟地覆蓋600VDC以上的電壓范圍。目前對于干式技術，，金屬化膜電容器在脈沖應用中薄膜應用的電場強度能夠達到600V/μm以上；在DC濾波的應用中，薄膜應用的電場強度能夠達到250 V/μm。電解電容使用氧化鋁作為電介質，具有很多不足：

（1）耐壓與電容量。通過比較，由于加工技術的原因，電解電容器中使用的鋁箔厚度是達到高電壓的關鍵因素。對于900 VDC，需要1.2μm的鋁的厚度。然而，這個厚度是不可能達到的。

（2）高壓下電流限制。，與低電壓電解電容相比，高電壓電解電容（500V）的電解液傳導率達到了5 kΩcm，它的有效值電流被限制在大約20mA/μF。所以在要求更高電壓的情況下，使用者必須將多只電容串聯使用。

（3）高壓下串聯需進行平衡電壓處理。由于各電容的絕緣電阻不同，使用者必須在每個電容上連接電阻以平衡電壓。

（4）反向耐壓能力低。電解電容器如果發生反向電壓或高于額定電壓1.5倍的過電壓，其將導致化學反應。如果持續時間夠長，電容器將完全失效。為避免這種情況，在電解電容器需要并聯連接一個二極管以消除反向電勢問題。。

（5）內阻大，如三個電解電容串聯實現1.2kV/900μF，ESR為60mΩ；而金屬化膜電容，3個并聯實現1.2kV/900μF，ESR為0.7mΩ。

相對于電解電容器，金屬化膜電容器的優勢：

（1）通流能力大（1A/μF）；

（2）高壓易實現；可承受短時過壓（2倍）和反向電壓；對于要求高額定電壓的場合，膜電容的解決方案無疑很有優勢。但如果要求高容值的場合，膜電容解決方案的競爭力就會減弱。的確，如果沒有過壓，有效值電流很低，同時需要大容值的場合，在900V以下的應用中，膜電容很難與電解電容競爭。

（3）保證耐壓和通流能力下，體積可以減小為電解電容的1/4（高出能密度優點）；

（4）受尖峰電壓dV/dt最大可到幾十V/μs；

（5）特性好，能在120℃下長期工作。（有的資料標明最高85℃或105℃）

（6）電阻，低電感；（由于耐壓能力較大，使用并聯形式代替電解電容器中的串聯形式）；

（7）壽命（6萬-10萬小時），無污染。

金屬化膜電容器的單體電壓可以做得比較高，適合用于電壓高于800V及其以上場合；對壽命有重要要求的場合，電解電容壽命一般為2000-5000小時，金屬化膜電容器可以達到6萬-10萬小時，對于一些對壽命有要求的場合可以采用金屬化膜電容器，提高產品的性能穩定性。

3.DC-LINK電容器的選取

金屬化膜電容器具有自愈功能，壽命較長；在不同工作溫度下，其性能優于電解電容器。金屬化膜電容器無正負極之分，兩極可任意使用，母排設計簡單。

與鋁電解電容器相比，金屬化膜電容器的雜散參數較小，等效串聯電阻（ESR）和寄生電感非常低。等效串聯電阻小，可以減少紋波電流在電解電容器中發熱及功率損耗，提高電容使用壽命。直流母線寄生電感小，可在功率器件關斷時不出現很高的感生電勢，減少功率器件的關斷損耗，避免感生電勢過高而擊穿功率器件。

由于薄膜的耐壓能力及耐紋波電流能力較大，因此在滿足電壓及紋波電流的要求下，所需要的電容數及總電容值比采用電解電容有較大減少。通常情況下，同一機組，采用金屬化膜電容器的電容值只是采用鋁電解電容器的1/3.

為了滿足直流波動指標要求，使用金屬化膜電容器時，須要采用一定的控制策略來彌補電容值減少所帶來的波動風險。

3.1 電容量

雖然大容量的支撐電容器可以抑制直流母線電壓波動，但出于成本及可靠性考慮，還須盡可能地減少直流側電容量。因此，我們要計算在最壞情況下滿足穩定性要求的直流支撐電容量的理論最小值。為了得到這個最小值，須要考慮直流母線電壓在一個PWM周期內升高到最大值的極端情況。理論最小電容值就是要阻止電壓超過特定值的電容值。如果限定直流母線所能承受的電壓波動，就會得到直流母線電容量的最小值。

最壞故障情況，即機側和網側變流器同時有最大能量流向直流母線支撐電容。分別找到機側和網側能量變化ΔEconverter和ΔEinverter的最大值。假設直流母線電壓波動ΔVdc：

電容器在t 時刻儲存的能量為：

電容器能量可以寫成：

直流母線電壓波動ΔVdcmax限定在一定范圍內，比如ΔVdcmax≤λVdc。Vdc為直流母線參考電壓；λ是設計參數，0＜λ＜1。

3.2 紋波電流

選取電容時，除電容量須滿足上述約束條件外，還必須考慮到電容器的耐紋波電流能力。在實際設計過程中，由于電容器的紋波電流受變流器各輸入輸出量變化以及控制方式等影響，很難直接通過計算得到，一般根據經驗公式或者計算機仿真的方式來估算。

根據對變流器拓撲結構的分析，可以得到直接計算直流母線電容器紋波電流的方法。

直流電容紋波電流為網側變流器輸出電流和機側變流器輸入電流之差：

這兩個電流都可以分解為直流分量與交流分量之和：

直流電容紋波電流可寫成：

該電流僅由以上兩個電流的交流分量構成，機側變流器的直流分量可以看作直接由網側變流器供給：

化簡可得：

即有：

由于這兩個電流不包含同頻諧波，即有：

直流電容紋波電流有效值由來自網側變流器的交流分量和來自機側變流器的交流分量兩部分組成。J W Kolar等人給出了因機側變流器而形成的紋波電流：

式中Iout，rms為機側變流器輸出電流有效值；M為調制比。

常東來等人給出了由網側變流器引起的直流母線電容紋波電流可由以下公式計算得出：

其中C為直流母線電容；Umax為網側變流器輸出電壓最大值，U為網側變流器輸入電壓有效值；fR為網側變流器整流輸出脈動頻率；tc和tdc分別代表直流母線電容的充放電時間。

直流母線支撐電容器的紋波電流與變流器輸入電壓及輸出電流、負載功率因數、PWM 調制比、電容量、直流電壓波動范圍等因素有關。

4.小結

本文介紹了DC-link電容器的工作條件，重點分析了金屬化膜電容器較電解電容器的具有的技術優勢；依據三相整流逆變電路中電壓紋波和電流紋波要求，給出dc-link電容器的電容量的選取依據，為DC-LINK電容器參數選取提供了理論計算依據。

參考文獻

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［5］常東來.變頻器中直流母線電容的紋波電流計算［J］.變頻器世界，2010（2）∶50-52.

作者簡介：

歐亞杰（1988—），男，大學本科，助理工程師，現任中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司甘陜管理處長寧靖邊壓氣站副站長，研究方向為電氣設備運行監測。

李韓櫻（1989—），女，大學本科，現供職于中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司甘陜管理處長寧靖邊壓氣站。