直流鏈路：在電流大戰(zhàn)中找到和平

簡(jiǎn)介：直流鏈路及其在高效電源轉(zhuǎn)換中的作用

隨著全球越來(lái)越具有能源意識(shí)，并且為了幫助保護(hù)環(huán)境和提高生活水平，而正在向高科技領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，電力電子技術(shù)成為電能高效轉(zhuǎn)換、調(diào)理和控制的關(guān)鍵。

電費(fèi)的不斷上升，使支持智能速度控制的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在不斷增長(zhǎng)的各種應(yīng)用中變得更具成本效益。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器不僅降低了整體功耗，而且還有助于降低可聞噪聲，而使設(shè)計(jì)人員能夠在家用電器和空調(diào)等產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)新的特性與功能。

精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制也是創(chuàng)新工業(yè)自動(dòng)化和無(wú)人機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)(EV)等新興產(chǎn)品類(lèi)別的關(guān)鍵推動(dòng)力。它們正在推動(dòng)令人興奮的市場(chǎng)發(fā)展，并且對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，也在幫助世界從內(nèi)燃機(jī)排放當(dāng)中解放出來(lái)。

電子控制逆變器是變頻驅(qū)動(dòng)器的重要組成部分。其對(duì)于將風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的清潔、高質(zhì)量電能以合適的電源頻率輸送給智能電網(wǎng)也至關(guān)重要。

為了獲得最佳的可靠性和電能質(zhì)量，逆變器需要在其輸入端提供一個(gè)干凈、穩(wěn)定的直流電壓。這個(gè)責(zé)任落在了系統(tǒng)電源和逆變器輸入之間的直流鏈路上。電源對(duì)于電器或工業(yè)機(jī)器來(lái)說(shuō)，可能是交流線路，或者是能量回收系統(tǒng)或風(fēng)力渦輪機(jī)中發(fā)電機(jī)的輸出：這個(gè)交流電的頻率通常不適合向電網(wǎng)輸送，并且具有很大不期望的諧波含量。

電源波形通常使用標(biāo)準(zhǔn)或受控橋式整流器進(jìn)行全波整流——該整流器產(chǎn)生的直流電壓波形是輸入頻率的2倍，輸入幅度的一半并且具有大量電壓紋波。直流鏈路必須對(duì)這個(gè)噪聲波形進(jìn)行濾波和平滑處理，來(lái)為逆變器提供所需的清潔、穩(wěn)定的直流輸入。圖1給出了將原始交流電源以受控頻率轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量交流電所涉及的電力電子功能。

圖1：在采用逆變器轉(zhuǎn)換成受控交流電之前，先要經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換，然后是直流鏈路中的電容濾波。

實(shí)際上，直流鏈路是一個(gè)儲(chǔ)能和濾波網(wǎng)絡(luò)，它必須使紋波盡可能減小，并使輸出電壓盡可能保持接近原始整流輸入的峰值(圖2)。

電容是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵要素。按以下公式計(jì)算，所需的電容取決于負(fù)載功率、整流器頻率、工作電壓和最大允許電壓紋波：

表1給出了使用該公式計(jì)算出的電容值的示例值——假設(shè)最大直流電壓為400V，最大允許紋波為10%。

表1：所需的直流鏈路電容取決于整流器頻率和負(fù)載功率。

面向直流鏈路應(yīng)用的電容器技術(shù)

薄膜電容器或電解電容器一直是直流鏈路應(yīng)用中最常用的電容器。理想性能包括高電壓能力(可將高壓直流總線所需串聯(lián)電容器的數(shù)量盡可能減小)、避免內(nèi)部過(guò)熱的低耗散因數(shù)(DF)，以及將直流輸出電壓的過(guò)沖和振鈴盡可能減小的小電感。電容選擇也取決于環(huán)境工作溫度和尺寸限制等環(huán)境因素。

電解電容器可以提供與其尺寸相關(guān)的大電容和成本的強(qiáng)大組合，非常適合于中等功率的應(yīng)用。典型的性能趨勢(shì)包括負(fù)溫度系數(shù)的等效串聯(lián)電阻(ESR)，即在溫度下降時(shí)，其值傾向于增加。另一方面，電解電容器的電容在溫度下降時(shí)則傾向于下降。

聚丙烯薄膜電容器與其尺寸有關(guān)，具有很高的紋波電流能力，因而使其非常適合于大功率應(yīng)用。此外，由于ESR和電容等參數(shù)對(duì)溫度相對(duì)不敏感，因此設(shè)計(jì)人員通常更喜歡選擇薄膜電容器用于各種應(yīng)用和環(huán)境中的直流鏈路。

直流鏈路設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)需要選用新的電容器

逆變器設(shè)計(jì)的最新趨勢(shì)正走向更高的工作頻率，以及碳化硅或氮化鎵FET和二極管等寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體的使用。這些器件可以在比傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體器件更高的電壓下工作，也可以承受更高的溫度而不影響到可靠性。寬帶隙器件傾向于用于亟需最大限度提高能效的高端應(yīng)用，例如可再生能源發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)和充電器等。

與寬帶隙半導(dǎo)體器件相關(guān)的更高的開(kāi)關(guān)頻率、更高的直流鏈路電壓以及更高的工作溫度，要求有不同的電容特性。開(kāi)關(guān)頻率提高意味著直流總線中所需的電容減小，而最大的工作電壓和溫度能力則必須提高。另一方面，低等效串聯(lián)電感(ESL)、低ESR和低損耗因數(shù)的需求仍然非常迫切。

由于所需電容減小，因此設(shè)計(jì)人員可以利用片式多層陶瓷電容器(MLCC)來(lái)獲得MLCC在寬溫度范圍內(nèi)出色的穩(wěn)定性以及可承受較高的最高工作溫度的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，MLCC采用小型表貼外殼封裝，因此具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性，并能夠承受大量的電路板彎曲。

基美電子(KEMET)的賤金屬鎳電極MLCC的特性，非常適合用于直流鏈路。C0G器件采用特殊的順電鋯酸鈣基陶瓷介質(zhì)，具有出色的溫度穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)低ESR、ESL和DF。

相比之下，MLCC包含PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)等更常見(jiàn)的介電材料類(lèi)型，會(huì)隨著溫度和頻率的增加而使電容損失。因此，為了確保在峰值工作溫度下提供足夠的電容，設(shè)計(jì)人員可能被迫要在直流鏈路中增加額外的電容器。

為了使MLCC能夠應(yīng)用到更廣泛的應(yīng)用和工作環(huán)境中所部署的直流鏈路中，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)新的材料、封裝結(jié)構(gòu)和組裝工藝而使其性能得到繼續(xù)擴(kuò)展。具有高性價(jià)比的賤金屬電極(BME)系列可在小尺寸的情況下提供大電容，因此可實(shí)現(xiàn)更小的整體尺寸和物料清單成本。如圖2所示，其電容值與X8R競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)型相比非常穩(wěn)定，最高工作溫度可達(dá)到200℃。實(shí)際上，其在200℃下提供的電容相當(dāng)于許多2類(lèi)MLCC，而C0G器件則具有更低的DF、更高的絕緣電阻(IR)和更高的電壓能力。標(biāo)準(zhǔn)的MLCC現(xiàn)成產(chǎn)品現(xiàn)在可以提供高達(dá)2000V的額定電壓，外殼尺寸從0805到4540不等，而且其正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)，力求確保提供高達(dá)260℃和300℃的可靠性。

圖2：可以依靠C0G BME MLCC在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供期望的電容。

為了滿足行業(yè)對(duì)直流鏈路電容提出的較小外殼尺寸的需求，基美電子最近推出了采用U2J電介質(zhì)、額定電壓高達(dá)50V的MLCC，因此可用于48V DC/DC電源電路。這類(lèi)器件相比典型的C0G MLCC電容，在類(lèi)似尺寸中可以提供大約兩倍的電容，并具有低ESR、低ESL及DF優(yōu)于0.1%的特性。圖3比較了新推出的U2J MLCC與類(lèi)似C0G和X7R電容器在-55℃至125℃的U2J溫度范圍內(nèi)的電容溫度特性。

圖3：新的U2J MLCC的溫度穩(wěn)定性接近于C0G類(lèi)型，同時(shí)在相同外殼尺寸下可提供大約兩倍的電容。

總結(jié)

逆變器在電力電子系統(tǒng)中正越來(lái)越多地被用于控制高效變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電頻率，以及從風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源中產(chǎn)生電網(wǎng)質(zhì)量的電力。直流鏈路為逆變器提供合成所需交流電源波形所必需的干凈、穩(wěn)定的直流輸入，工程師對(duì)直流鏈路的這一作用必須有所了解。

逆變器正被越來(lái)越多地用于從48V到500V甚至更高電壓的產(chǎn)品類(lèi)型和應(yīng)用，因此對(duì)于濾波和儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，為直流鏈路電容器提供更多、更好選擇的需求正在與日俱增。雖然成熟的電解電容器和聚丙烯薄膜電容器技術(shù)在不斷提供強(qiáng)大的性能，但先進(jìn)的MLCC現(xiàn)在提供了新的選擇，可以幫助節(jié)省空間并提高可靠性。