变频器用电解电容器的性能分析

摘要：电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，一般认为：电解电容器的最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器，这种思想是受常规电子技术的单相整流电路的影响。在三相整流电路中，每个电源周期共有6个波头，如采用电容器滤波，则每个波头仅1/3的时间是整流器导通向输出供电，剩下的2/3的时间，输出功率就只能靠电容器提供，这个时间约为电源周期的1/9，即2.22mS。以输出功率为30kW的变频器，滤波电容器通常采用3300μF/400V电解电容器两串两并。

　　变频器中整流滤波电解电容器的作用
　　电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，一般认为：电解电容器的最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器，这种思想是受常规电子技术的单相整流电路的影响。在三相整流电路中，每个电源周期共有6个波头，如采用电容器滤波，则每个波头仅1/3的时间是整流器导通向输出供电，剩下的2/3的时间，输出功率就只能靠电容器提供，这个时间约为电源周期的1/9，即2.22mS。以输出功率为30kW的变频器，滤波电容器通常采用3300μF/400V电解电容器两串两并。在这种负载条件下的整流输出的平均值电流约为50A。在整流器不工作的2.2mS的时间内，滤波电容器由于放电造成的电压下降为33~35V，是600V整流输出平均电压的0.055，如考虑电解电容器的等效串联电阻约为68mΩ，50A纹波电流下的ESR电压降将达到3.5V，这时的纹波电压幅值将超过6%，约为没有电容器滤波时的一半，表明整流输出滤波电容器实际上不是用来滤波的，而是用来吸收来自整流器和逆变器的纹波电流。
　　变频器主流母线中的纹波电流的产生主要有两个方面：工频整流滤波的纹
波电流，举例来说对于3相380V直接整流来说，每千瓦输出大约需要滤波电容器流过6A以上的纹波电流，对于一个30千瓦的变频器，滤波电容器需要滤掉90A甚至更高的纹波电流，当然这个纹波电流可与通过在整流器与滤波电容器之间接一个电抗器来大大减小。但是产生纹波电流的另一个源（逆变器产生的纹波电流）却绝对不能采用串入电抗器解决；产生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时产生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流，逆变器输出频率的纹波电流以逆变器驱动感应电动机为例，要产生很高幅值的开关频率下的纹波电流，第二种纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消除掉的，只能利用滤波电容器来吸收，如变频器驱动30kW的感应电机时，变频器的直流母线上至少要产生60A的纹波电流！这个滤波电流将在滤波电容器的ESR中产生明显的功率损耗。由于成本的限制，直到现在，没有一个变频器生产厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下，因此对于需要较长的应用寿命应用领域下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不定期更换滤波电容器，而在不能定期更换滤波电容器的场合下，只能是定期的报废变频器/逆变器，这样既不利于确保可靠性也不利于低成本使用。
　　那么变频器的直流母线上是否可以没有滤波电容器？结论是绝对不可以的。在逆变器的开关管开关过程中，可以产生400A/μs甚至更高的电流变化，在1μH的电感上将产生400V的感生电势，因此，需要用滤波电容器进一步减小主流母线的寄生电感。为了降低逆变器直流母线的寄生电感所引起的阻抗，需要降低逆变器直流母线的阻抗，最简单的办法就是在直流母线上并接低ESR同时也是低ESL的电容器，即通常电子市场上经常说的突波吸收电容器。
　　从上面分析可以看到：整流滤波电容器的作用实际上更倾向于吸收逆变器产生的纹波电流，抑制逆变器中的开关管的开关过程而产生的过冲电压。降低直流母线阻抗。
　　电解电容器的纹波电流与寿命的关系
　　变频器/逆变器滤波与平滑一般是采用电解电容器，对于三相380V输入的整流电路，通常采用两只额定电压400V或450V的电解电容器串联应用。
　　例如一个输出功率为30kW的变频器，整流滤波电容器可以采用四只3300μF/400V电解电容器两串两并实现。以通常认为性能很好的日立变频器用HCGF5A的电解电容器为例：40℃时的额定纹波电流为22.2A，而在85℃按日立公司的折算方法，对应额定纹波电流将降低到8.2A，两只并联也不过是16.4A。不仅如此，寿命也仅能在85℃温度下保证2000小时。而整流器的纹波电流就是接近60A！，加上逆变器的60A纹波电流，电解电容器间处于什么状态？这两个纹波电流即使按均方根值计算也将达到85A以上，是40℃下的额定电流的近4倍！这时的滤波电容器的寿命将会怎样呢？

　　图1 变频器用滤波电解电容器的寿命与环境温度、纹波电流的关系 （日立电解电容器的数据表中没有给出这样的曲线）。

　　从图中可以看到，大型电解电容器即使在环境温度为40℃是的极限电流有效值也不会超过额定电流值的3倍，并且寿命仅仅达到了最高工作温度的寿命值。如果真得在这种条件下工作，变频器能保证的寿命仅仅是3个月。如果电解电容器的环境温度进一步升高，寿命还将进一步缩短。
　　影响变频器性能的电解电容器特性
　　a.电解电容器的ESR
　　在变频器中，所有的纹波电流流过电解电容器，这个纹波电流在电解电容器的ESR产生功耗并编成焦耳热。以30kW变频器为例，并联在直流母线的电解电容器总的ESR约为60~90mΩ，纹波电流越位80~90A，在两并两串的电解电容器上将产生40~70W的功耗，每个电解电容器所产生的损耗约为10~20W。对于散热性能很差的电解电容器，这将产生比较高的温升，进一步缩短了电解电容器的寿命。
　　b.电解电容器的阻抗频率特性
　　电解电容器的阻抗频率特性的高频段主要表现电解电容器的感抗。关于电解电容器的寄生电感，很多电解电容器生产厂商没有给出这个参数。但是，在实际应用中电解电容器的寄生电感将直接影响逆变器的性能。如两只串联的电解电容器的寄生电感为200nH，在电流变化率为500A/μs时，将在直流母线上产生100V的感生电势，将增加逆变器的开关损耗和电磁干扰。
　　c.对电解电容器性能的修补
　　为了解决电解电容器的ESR、ESL对逆变器性能的影响。通常要在直流母线上并接变频器专用缓冲电容器来降低直流母线的阻抗。
　　d.电解电容器的主要参数
　　电解电容器的主要参数如表1。

　　电解电容器的主要参数在不同温度下的纹波电流倍乘系数如表2

　　通过折算，日立HCGF5A2G332Y电解电容器在85℃条件下的额定电流为：
　　22.4 x 0.37 = 8.214(A)
　
　明显低于RIFA-EVOX、CDE电解电容器，也低于EPCOS电解电容器。
　　电解电容器的主要参数在不同频率下的纹波电流倍乘系数如表3

　　通过表1~表3可以看到EVOX - RIFA所给的数据比较完全，其他的需要附加数据（如表2、表3）和一些特性曲线补充，EPCOS、CDE相应的给出如图1的寿命与温度、纹波电流的关系曲线、阻抗频率特性以及其它相关特性曲线。这样就基本能比较完整的表述电解电容器的基本特性，相应的日立电解电容器则没有给出完整的数据。
　　电解电容器：一种无奈的选择
　　在很长的一段时间内，变频器设计工程师主要关注电力半导体器件的进展，长期忽视电力电子领域中的无源器件的革新，当电力半导体器件发展到一定程度，电力电子电路性能将可能受到无源器件的约束，电解电容器就是最鲜明的例子。
　　作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，其最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器。但是电解电容器最大的缺点就是使用寿命问题，特别是在高温条件下尤为明显，电解电容器的寿命直接影响着变频器/逆变器的使用寿命。在实际应用中因为过大的纹波电流在滤波用电解电容器的ESR产生热而是滤波用电解电容器的寿命大大减少，通常这个纹波电流确实无法见效的。
　　纹波电流的产生主要有两个方面：工频整流滤波的纹波电流；产生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时产生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流，这两个纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消除掉的，只能利用滤波电容器来吸收，这个滤波电流将在滤波电容器的ESR中产生明显的功率损耗。由于成本的限制，直到现在，没有一个变频器生产厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下，因此对于需要较长的应用寿命应用领域下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不定期更换滤波电容器，而在不能定期更换滤波电容器的场合下，只能是定期的报废变频器/逆变器，这样既不利于确保可靠性也不利于低成本使用，为此薄膜电容器进入变频器/逆变器滤波电容器领域成为必然，其原因就是薄膜电容器的ESR可以做得极低，可以在1 mΩ以下，不仅如此，薄膜电容器的寄生电感也非常之低，仅几个nH。
　　滤波与平滑用薄膜电容器
　　滤波与平滑用电容器是用来平滑整流器输出的电压、电流，在电压低于450V时通常应用价格低廉的铝电解电容器，当电压高于500V低于700V时仍可以应用铝电解电容器串联的方式，但是在需要高可靠的场合与电压高于1000V或更高时则应用薄膜电容器作为滤波电容器为好。
　　一般平滑与滤波的薄膜电容器并没有什么特殊地方，但是对于IGBT逆变器/变频器由于其IGBT工作在相对高速的硬开关状态，如果直流母线存在较大的寄生电感，将会在IGBT关断时出现很高的感生电势，不仅增加IGBT的关断损耗，而且这个感生电势过高时还会击穿IGBT。不仅如此，滤波电容器存在较大的ESR，IGBT逆变器/变频器所产生的开关纹波电流在滤波电容器的ESR上产生损耗而发热，缩短滤波电容器的寿命。采用薄膜电容器作为变频器的滤波电容器将消除定期更换铝电解电容器的问题。
　　因此欲提高IGBT逆变器/变频器的可靠性应选择低寄生电感、低ESR的滤波电容器，可以选用专用于IGBT逆变器/变频器的薄膜滤波电容器。以EPCOS的MKK电容器参数为例：
　　B25645-A4180-J***-1的额定参数：额定电容量（CN）：1000μF±5%，额定电压（UN）：DC400V，储能（WN）：80WS，最大纹波电流有效值（Imax）：60A，寄生电感（Lself）：5nH，损耗因数（tanδ0）：50×10-4，ESR：0.9mΩ；最大参数：浪涌电压（US）：450V，浪涌电流（IS）：5kA，（du/dt）S：5V/μs；测试参数：（UTT）DC550V，10秒，绝缘电阻（Ris?C）：≥10000秒，损耗角正切（50Hz）：≤60×10-4。
　　B25655-A1148-K000的额定参数：额定电容量（CN）：1450μF±10%，额定电压（UN）：DC1250V，交流输入电压（Ui）：1100V，储能（WN）：1100Ws，最大纹波电流有效值（Imax）：135A，寄生电感（Lself）：40nH，损耗因数（tanδ0）：2×10-4，ESR：0.8mΩ；最大参数：交流输入浪涌电压（U）：1500V，浪涌电压（US）：1900V，交流输入浪涌电流（I）：2kA，浪涌电流（IS）：20kA，（du/dt）max：1V/μs，（du/dt）S：14V/μs；测试参数：（UTT）DC1900V，10秒，（UTC）DC3500V，10秒，绝缘电阻（Ris?C）：≥10000秒，损耗角正切（50Hz）：≤10×10-4。
　　从上述
两电容器的参数可以明显看到：与铝电解电容器相比，ESR、最大有效值电流、寄生电感、浪涌电压/额定电压的比值、浪涌电流均明显优于铝电解电容器，还有一个重要因素就是薄膜电容器的寿命是铝电解电容器所无法相比的。如某种用铝电解电容器滤波的变频器的结构如图2。

        采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器的结构如图3。

　　通过两图比较可以看到，采用变频器专用薄膜滤波电容器的变频器结构相对简单。结构简单的一个最大好处之一就是母线寄生电感更低，因为变频器专用电容器模块可以直接装在母线板上，这样所产生的寄生电感将明显小于装在散热器旁边的铝电解电容器用铜板或母线连接到IGBT的方式。
　　变频器专用薄膜滤波电容器的结构与装配方式

　　以EPCOS的B25645-A4180-J***-1变频器专用薄膜滤波电容器的结构为例，如图4。电容器的引出端为铜板，装配方式可以是将电极用螺栓固定在直流母线板的正、负极，实现电气连接，这样的电气连接电容器与直流母线所包围的空间将非常小，因而所产生的寄生电感也将非常小。再用L型固定夹板将电容器模块固定在散热器上，完成电容器模块的机械固定，如图3的安装方式 。
　　综上所述，采用薄膜电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器不仅可以大大提高变频器/逆变器的应用寿命，避免更换滤波电容器之苦和付出的成本代价，同时由于薄膜电容器的低ESR使你便电路中的开关管上的电压应力大大减小，有利于开关管的工作状态与可靠性。