逆變電源系統(tǒng)中直流支撐電容器的應(yīng)用及分析

而薄膜DC-Link電容器內(nèi)部雜散電感ESL主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面：

(1) 金屬化薄膜卷繞而成的芯子本身引起;

(2) 芯子單元串、并聯(lián)引線或銅排引起;

(3) 金屬外殼電感，此種情況為產(chǎn)品某一電極與金屬外殼相連而產(chǎn)生，其他情況無(wú)此項(xiàng)因素。

對(duì)于以上三點(diǎn)原因的解決措施，我們將在下面的案例分析中做探討。

3、案例分析

下面以我司為某公司提供的DC-Link產(chǎn)品為例做具體分析：

產(chǎn)品型號(hào)為MKP-LG6000μF/1200V.DC標(biāo)稱有效電流300A，外殼采用的是無(wú)磁不休鋼外殼。首先給出一組我們的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1

備注：表1中個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)均在圖4中標(biāo)明；試驗(yàn)電流為310A;試驗(yàn)頻率為13.75kHz。

從數(shù)據(jù)中我們分析，5號(hào)與7號(hào)以及6號(hào)與8號(hào)點(diǎn)，其溫差較大，達(dá)到8~10℃，并且在產(chǎn)品上表面(此為環(huán)氧面)，其各點(diǎn)溫度也分布不均勻，溫差較大，影響產(chǎn)品可靠性。

圖 4

上述試驗(yàn)所用的產(chǎn)品為我司早期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，未曾考慮雜散電感的影響以及產(chǎn)品內(nèi)部電流分布的優(yōu)化，并且由于電容器本身在使用過(guò)程中，電流具有集中效應(yīng)，即電流會(huì)集中于電容器的上部。在上述方案中，產(chǎn)品內(nèi)部芯子排列結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單地表示如圖5。

圖5

由上圖可以看出，長(zhǎng)方形為接線銅板，由于銅板存在一定的電感，所以對(duì)于高頻電流，阻抗較大。根據(jù)公式I=U/Z=U/(XL+XR+XC)

XL=2πfL---------------------(4)

Xc=1/(2πfc)-------------------(5)

(設(shè)2πf=ω)可知，當(dāng)頻率固定時(shí)，電感越大，感抗就越大。當(dāng)頻率較低時(shí)，例如在工頻50Hz時(shí)，電路中的雜散電感所產(chǎn)生的感抗Esl較低，遠(yuǎn)小于 Esc，因此Esl可忽略不計(jì)，而其中的Esr和Esc占主要影響地位。但當(dāng)電流頻率高達(dá)600kHz時(shí)，則容抗較低,約0.005Ω/mm，感抗非常大，約0.3Ω/mm，遠(yuǎn)大于Esc，在等效電路中占主要影響地位。若平均每1mm銅板的雜散電感約為1nH，而每個(gè)端子之間的距離為60mm，那么電路中總的雜散電感為60nH，而電容雜散為40nH，那么第一個(gè)電容的感抗為XL=40ω，第二個(gè)電容的感抗為XL=2Xl+Xc=160ω，第三個(gè)電容的感抗為：XL=4Xl+Xc=260ω。因?yàn)镮=U/XL=200A，所以電流經(jīng)過(guò)這三個(gè)的比值為I1:I2=4:1,I1:I3=6.5:1，由此得出 1.4I1=200A而其中流經(jīng)C1的電流最大，約為143A，流經(jīng)C2電流約為36A，而流經(jīng)C3電流約為21A。因此C1電流發(fā)熱嚴(yán)重，而C2發(fā)熱正常，C3發(fā)熱較少，這樣容易令C1燒壞，所以不能采取此種連接方式。同時(shí)，在頻率比較低的情況下，比如工頻50Hz，外殼材料對(duì)產(chǎn)品影響不大。但在頻率達(dá)到10kHz或以上時(shí)，產(chǎn)品在使用過(guò)程中，外殼材料如果帶有磁性，那么其本身也會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)加熱而發(fā)熱，從而對(duì)產(chǎn)品整體發(fā)熱產(chǎn)生不利影響。我們從四方面著手進(jìn)行方案改善。

首先，我們根據(jù)單根矩形截面導(dǎo)線電感計(jì)算：

式中A為