逆變電源系統中直流支撐電容器的應用及分析

1、引言

在現代電力電子行業(yè)中，整流以及逆變電源系統得到了長(cháng)足的發(fā)展。而在此電源系統中，直流支撐電容器的作用是防止因負載的突變造成直流母線(xiàn)以及電容器本身的寄生電感產(chǎn)生感生電動(dòng)勢而導致直流母線(xiàn)電壓大幅度突變。本文主要介紹金屬化薄膜直流支撐電容器本身的雜散電感的減小方案以及產(chǎn)品內部電流分布方案的探討。目的是最終使得DC-Link電容器產(chǎn)品具有較低的發(fā)熱損耗以及比較均勻的溫度分布。

2、原理簡(jiǎn)述

直流支撐電容器(即DC-Link電容器)在電力系統中的典型應用電路如圖1所示，圖中Ls為系統連線(xiàn)的寄生電感。

在此應用場(chǎng)合中，可以視IGBT逆變器為整流電路的負載，此開(kāi)關(guān)器件負載具有突變電流，而根據公式(1)可知

V=L×di/dt-----------------------(1)

突變電流在電感的作用下，將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢，當電路以及電容器產(chǎn)品本身雜散電感影響下，此感生電動(dòng)勢可能會(huì )達到數十甚至成上千伏，如此之高的突變電壓將會(huì )對系統造成嚴重干擾，甚至損壞系統。而直流支撐電容器的作用就是利用電容器電壓不能突變及電容器容抗隨頻率的升高而降低的特性，在一個(gè)很寬的頻帶范圍內為系統提供低阻抗通道，從而降低直流母線(xiàn)的交流阻抗。根據公式(2)

式中ω=2πf，ESL為雜散電感，ESR為等效串聯(lián)電阻

由上式可知，電容器的阻抗不僅與電容量有關(guān)，同時(shí)還與等效串聯(lián)電阻、雜散電感、系統頻率有關(guān)。其阻抗|Z|與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2所示：

從圖中可見(jiàn)，隨頻率增加，阻抗逐漸降低，在f=f0時(shí)，具有最低的阻抗，此即等效串聯(lián)電阻ESR；當f>f0時(shí)，電容器已不具有容抗性質(zhì)，而呈現感抗，這時(shí)電容器已失去作用。因此電容器工作頻率應當遠小于諧振頻率。諧振頻率f0是由下式?jīng)Q定的：

對于一個(gè)選定容量的電容器，希望電容器在較寬的頻帶下呈現容性，即要求擁有比較高的諧振頻率，則必然要求具有較小的雜散電感。

另一方面，如果電容器的等效串聯(lián)電阻ESR比較大，則會(huì )出現在比較低頻的情況下，電容器的容抗低于ESR，這時(shí)，電容器的交流阻抗主要取決于ESR，從而不能很好地實(shí)現交流低阻抗的要求。對于此因素的影響本文不作過(guò)多討論。

下面我們來(lái)看雜散電感ESL在DC-Link電容器中的主要成因。

DC-Link電容器內部等效電路圖如圖3所示：

由于我們的DC-Link電容器產(chǎn)品使用的是金屬化聚丙烯薄膜電容器，由于其比容較小，因而要獲得比較大的容