變頻器用電解電容器的性能分析

摘要：電解電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，一般認(rèn)為：電解電容器的最主要的參數(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，這種思想是受常規(guī)電子技術(shù)的單相整流電路的影響。在三相整流電路中，每個(gè)電源周期共有6個(gè)波頭，如采用電容器濾波，則每個(gè)波頭僅1/3的時(shí)間是整流器導(dǎo)通向輸出供電，剩下的2/3的時(shí)間，輸出功率就只能靠電容器提供，這個(gè)時(shí)間約為電源周期的1/9，即2.22mS。以輸出功率為30kW的變頻器，濾波電容器通常采用3300μF/400V電解電容器兩串兩并。

　　變頻器中整流濾波電解電容器的作用
　　電解電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，一般認(rèn)為：電解電容器的最主要的參數(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，這種思想是受常規(guī)電子技術(shù)的單相整流電路的影響。在三相整流電路中，每個(gè)電源周期共有6個(gè)波頭，如采用電容器濾波，則每個(gè)波頭僅1/3的時(shí)間是整流器導(dǎo)通向輸出供電，剩下的2/3的時(shí)間，輸出功率就只能靠電容器提供，這個(gè)時(shí)間約為電源周期的1/9，即2.22mS。以輸出功率為30kW的變頻器，濾波電容器通常采用3300μF/400V電解電容器兩串兩并。在這種負(fù)載條件下的整流輸出的平均值電流約為50A。在整流器不工作的2.2mS的時(shí)間內(nèi)，濾波電容器由于放電造成的電壓下降為33~35V，是600V整流輸出平均電壓的0.055，如考慮電解電容器的等效串聯(lián)電阻約為68mΩ，50A紋波電流下的ESR電壓降將達(dá)到3.5V，這時(shí)的紋波電壓幅值將超過6%，約為沒有電容器濾波時(shí)的一半，表明整流輸出濾波電容器實(shí)際上不是用來濾波的，而是用來吸收來自整流器和逆變器的紋波電流。
　　變頻器主流母線中的紋波電流的產(chǎn)生主要有兩個(gè)方面：工頻整流濾波的紋
波電流，舉例來說對(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流過6A以上的紋波電流，對(duì)于一個(gè)30千瓦的變頻器，濾波電容器需要濾掉90A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以逆變器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，要產(chǎn)生很高幅值的開關(guān)頻率下的紋波電流，第二種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，如變頻器驅(qū)動(dòng)30kW的感應(yīng)電機(jī)時(shí)，變頻器的直流母線上至少要產(chǎn)生60A的紋波電流！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诘统杀臼褂谩?
　　那么變頻器的直流母線上是否可以沒有濾波電容器？結(jié)論是絕對(duì)不可以的。在逆變器的開關(guān)管開關(guān)過程中，可以產(chǎn)生400A/μs甚至更高的電流變化，在1μH的電感上將產(chǎn)生400V的感生電勢(shì)，因此，需要用濾波電容器進(jìn)一步減小主流母線的寄生電感。為了降低逆變器直流母線的寄生電感所引起的阻抗，需要降低逆變器直流母線的阻抗，最簡單的辦法就是在直流母線上并接低ESR同時(shí)也是低ESL的電容器，即通常電子市場(chǎng)上經(jīng)常說的突波吸收電容器。
　　從上面分析可以看到：整流濾波電容器的作用實(shí)際上更傾向于吸收逆變器產(chǎn)生的紋波電流，抑制逆變器中的開關(guān)管的開關(guān)過程而產(chǎn)生的過沖電壓。降低直流母線阻抗。
　　電解電容器的紋波電流與壽命的關(guān)系
　　變頻器/逆變器濾波與平滑一般是采用電解電容器，對(duì)于三相380V輸入的整流電路，通常采用兩只額定電壓400V或450V的電解電容器串聯(lián)應(yīng)用。
　　例如一個(gè)輸出功率為30kW的變頻器，整流濾波電容器可以采用四只3300μF/400V電解電容器兩串兩并實(shí)現(xiàn)。以通常認(rèn)為性能很好的日立變頻器用HCGF5A的電解電容器為例：40℃時(shí)的額定紋波電流為22.2A，而在85℃按日立公司的折算方法，對(duì)應(yīng)額定紋波電流將降低到8.2A，兩只并聯(lián)也不過是16.4A。不僅如此，壽命也僅能在85℃溫度下保證2000小時(shí)。而整流器的紋波電流就是接近60A！，加上逆變器的60A紋波電流，電解電容器間處于什么狀態(tài)？這兩個(gè)紋波電流即使按均方根值計(jì)算也將達(dá)到85A以上，是40℃下的額定電流的近4倍！這時(shí)的濾波電容器的壽命將會(huì)怎樣呢？

　　圖1 變頻器用濾波電解電容器的壽命與環(huán)境溫度、紋波電流的關(guān)系 （日立電解電容器的數(shù)據(jù)表中沒有給出這樣的曲線）。

　　從圖中可以看到，大型電解電容器即使在環(huán)境溫度為40℃是的極限電流有效值也不會(huì)超過額定電流值的3倍，并且壽命僅僅達(dá)到了最高工作溫度的壽命值。如果真得在這種條件下工作，變頻器能保證的壽命僅僅是3個(gè)月。如果電解電容器的環(huán)境溫度進(jìn)一步升高，壽命還將進(jìn)一步縮短。
　　影響變頻器性能的電解電容器特性
　　a.電解電容器的ESR
　　在變頻器中，所有的紋波電流流過電解電容器，這個(gè)紋波電流在電解電容器的ESR產(chǎn)生功耗并編成焦耳熱。以30kW變頻器為例，并聯(lián)在直流母線的電解電容器總的ESR約為60~90mΩ，紋波電流越位80~90A，在兩并兩串的電解電容器上將產(chǎn)生40~70W的功耗，每個(gè)電解電容器所產(chǎn)生的損耗約為10~20W。對(duì)于散熱性能很差的電解電容器，這將產(chǎn)生比較高的溫升，進(jìn)一步縮短了電解電容器的壽命。
　　b.電解電容器的阻抗頻率特性
　　電解電容器的阻抗頻率特性的高頻段主要表現(xiàn)電解電容器的感抗。關(guān)于電解電容器的寄生電感，很多電解電容器生產(chǎn)廠商沒有給出這個(gè)參數(shù)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中電解電容器的寄生電感將直接影響逆變器的性能。如兩只串聯(lián)的電解電容器的寄生電感為200nH，在電流變化率為500A/μs時(shí)，將在直流母線上產(chǎn)生100V的感生電勢(shì)，將增加逆變器的開關(guān)損耗和電磁干擾。
　　c.對(duì)電解電容器性能的修補(bǔ)
　　為了解決電解電容器的ESR、ESL對(duì)逆變器性能的影響。通常要在直流母線上并接變頻器專用緩沖電容器來降低直流母線的阻抗。
　　d.電解電容器的主要參數(shù)
　　電解電容器的主要參數(shù)如表1。

　　電解電容器的主要參數(shù)在不同溫度下的紋波電流倍乘系數(shù)如表2

　　通過折算，日立HCGF5A2G332Y電解電容器在85℃條件下的額定電流為：
　　22.4 x 0.37 = 8.214(A)
　
　明顯低于RIFA-EVOX、CDE電解電容器，也低于EPCOS電解電容器。
　　電解電容器的主要參數(shù)在不同頻率下的紋波電流倍乘系數(shù)如表3

　　通過表1~表3可以看到EVOX - RIFA所給的數(shù)據(jù)比較完全，其他的需要附加數(shù)據(jù)（如表2、表3）和一些特性曲線補(bǔ)充，EPCOS、CDE相應(yīng)的給出如圖1的壽命與溫度、紋波電流的關(guān)系曲線、阻抗頻率特性以及其它相關(guān)特性曲線。這樣就基本能比較完整的表述電解電容器的基本特性，相應(yīng)的日立電解電容器則沒有給出完整的數(shù)據(jù)。
　　電解電容器：一種無奈的選擇
　　在很長的一段時(shí)間內(nèi)，變頻器設(shè)計(jì)工程師主要關(guān)注電力半導(dǎo)體器件的進(jìn)展，長期忽視電力電子領(lǐng)域中的無源器件的革新，當(dāng)電力半導(dǎo)體器件發(fā)展到一定程度，電力電子電路性能將可能受到無源器件的約束，電解電容器就是最鮮明的例子。
　　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；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，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诘统杀臼褂茫瑸榇吮∧る娙萜鬟M(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 mΩ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。
　　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的額定參數(shù)：額定電容量（CN）：1000μF±5%，額定電壓（UN）：DC400V，儲(chǔ)能（WN）：80WS，最大紋波電流有效值（Imax）：60A，寄生電感（Lself）：5nH，損耗因數(shù)（tanδ0）：50×10-4，ESR：0.9mΩ；最大參數(shù)：浪涌電壓（US）：450V，浪涌電流（IS）：5kA，（du/dt）S：5V/μs；測(cè)試參數(shù)：（UTT）DC550V，10秒，絕緣電阻（Ris?C）：≥10000秒，損耗角正切（50Hz）：≤60×10-4。
　　B25655-A1148-K000的額定參數(shù)：額定電容量（CN）：1450μF±10%，額定電壓（UN）：DC1250V，交流輸入電壓（Ui）：1100V，儲(chǔ)能（WN）：1100Ws，最大紋波電流有效值（Imax）：135A，寄生電感（Lself）：40nH，損耗因數(shù)（tanδ0）：2×10-4，ESR：0.8mΩ；最大參數(shù)：交流輸入浪涌電壓（U）：1500V，浪涌電壓（US）：1900V，交流輸入浪涌電流（I）：2kA，浪涌電流（IS）：20kA，（du/dt）max：1V/μs，（du/dt）S：14V/μs；測(cè)試參數(shù)：（UTT）DC1900V，10秒，（UTC）DC3500V，10秒，絕緣電阻（Ris?C）：≥10000秒，損耗角正切（50Hz）：≤10×10-4。
　　從上述
兩電容器的參數(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2。

        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3。

　　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)簡單。結(jié)構(gòu)簡單的一個(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。
　　變頻器專用薄膜濾波電容器的結(jié)構(gòu)與裝配方式

　　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4。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上，完成電容器模塊的機(jī)械固定，如圖3的安裝方式 。
　　綜上所述，采用薄膜電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器不僅可以大大提高變頻器/逆變器的應(yīng)用壽命，避免更換濾波電容器之苦和付出的成本代價(jià)，同時(shí)由于薄膜電容器的低ESR使你便電路中的開關(guān)管上的電壓應(yīng)力大大減小，有利于開關(guān)管的工作狀態(tài)與可靠性。