薄膜電容器模組應(yīng)用于感應(yīng)加熱設(shè)備

摘要：隨著技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)品的成熟,感應(yīng)加熱設(shè)備所應(yīng)用的場合越來越多.如商用電磁爐,注塑機(jī)炮筒加熱,工業(yè)冶煉金屬,工件表面加熱處理等等…感應(yīng)加熱設(shè)備功率也越做越大,從早期的三相12KW,15KW,20KW,到目前的30KW,60KW,120KW…感應(yīng)加熱設(shè)備市場前景廣闊.薄膜電容器作為感應(yīng)加熱設(shè)備關(guān)鍵元器件之一,其可靠性及穩(wěn)定性在設(shè)備中占據(jù)重要的地位.本文介紹一款新型的帶鋁殼散熱結(jié)構(gòu)的薄膜電容器模組,應(yīng)用于感應(yīng)加熱設(shè)備上，大大簡化了設(shè)備內(nèi)部安裝工藝,讓機(jī)芯可全密封工作.

關(guān)鍵詞：鋁殼散熱,全密封結(jié)構(gòu),薄膜電容器模組,感應(yīng)加熱設(shè)備

1、引言：

感應(yīng)加熱技術(shù),早期應(yīng)用在家用電磁爐上.后來隨著高效,節(jié)能及環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)越來越顯著,加上產(chǎn)品技術(shù)成熟及使用穩(wěn)定,感應(yīng)加熱技術(shù)逐漸開始往工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展.從早期的單相2KW,到現(xiàn)在的三相100KW及以上,在短短的幾年時間里,感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品的應(yīng)用有了一個質(zhì)的飛躍.隨之設(shè)備內(nèi)部的功率元器件(如整流橋,IGBT模塊,薄膜電容器等)要求越來越高,其可靠性及穩(wěn)定性決定了設(shè)備的使用安全及壽命.

2、典型的感應(yīng)加熱設(shè)備機(jī)芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱設(shè)備電路結(jié)構(gòu)分為兩種.從市面上的產(chǎn)品來看,30KW以內(nèi)采用的是半橋.30KW以上采用的是全橋.以半橋30KW機(jī)芯來看,薄膜電容器的使用情況如下:

DC-LINK:30-40μF(800VDC),采用多個分立電容器并聯(lián)的方式 (3-13個)

高壓諧振:單臂1.2-1.4μF(1600VDC),采用多個分立電容器并聯(lián)的方式 (3-14個)

或單臂0.7-0.8μF(3000VDC),采用多個分立電容器并聯(lián)的方式 (3-12個)

電容器連接圖:

從上述典型機(jī)芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,該結(jié)構(gòu)存在以下問題點(diǎn):

a電路主回路采用PCB連接,當(dāng)機(jī)芯功率越大, 輸入整流橋前的交流主回路,整流橋輸出后的直流母線主回路,LC諧振輸出主回路電流就越大.為了PCB銅箔能提供足夠的過流能力及降低銅箔溫升,必須加大PCB尺寸,增加主回路銅箔寬度,增加PCB銅箔厚度,最終會導(dǎo)致PCB價格昂貴,增加了機(jī)芯的總體成本.

b某部份企業(yè)的產(chǎn)品,由于機(jī)芯尺寸受到限制,所以PCB尺寸無法做的太大.通常采取的做法是PCB露銅并人工鍍錫,用焊錫來增加銅箔厚度,增加PCB過流能力.(人工鍍錫厚度無法準(zhǔn)確控制).或者是用銅片,銅線等圍繞各主回路一圈,再人工鍍錫.無論何種鍍錫工藝,都會增加操作的復(fù)雜性,增加人工成本.

c電路主回路跟單片機(jī)控制電路集成在一塊PCB上,強(qiáng)電/弱電沒分離,容易造成驅(qū)動部份受到干擾.嚴(yán)重者導(dǎo)致IGBT模塊上下管直通,燒毀IGBT模塊及整流橋模塊.

d假如PCB電路板中某一小部分電路或元件失效,導(dǎo)致機(jī)芯無法正常工作,則維修需要更換整塊PCB.其它元器件無法再拆下來使用,增加了維修成本及維修難度.

ePCB中采用多個分立電容器并聯(lián),由于走線問題,導(dǎo)致每只電容器在實(shí)際使用過程中由于在電路中的線路分布電感不一致,最終導(dǎo)致過流不一致.嚴(yán)重者會導(dǎo)致某只電容器發(fā)熱嚴(yán)重?zé)龤?(均流,均壓問題在高頻大功率感應(yīng)加熱設(shè)備中必須重視!)

6 機(jī)芯中的DC-LINK電容器,高壓諧振電容器等,由于自身有一定的發(fā)熱,故目前業(yè)內(nèi)都采用對機(jī)芯風(fēng)冷的方式,對電容器等元器件進(jìn)行散熱.由于無法做到全密封,會導(dǎo)致油煙,水氣,蟑螂,金屬粉塵等從散熱風(fēng)機(jī)/風(fēng)口進(jìn)入機(jī)芯內(nèi)部,沉積在PCB上,讓元件間引腳容易高壓打火放電,短路等.機(jī)芯容易失控,嚴(yán)重者發(fā)生燒毀現(xiàn)象.

3、薄膜電容器模組應(yīng)用在感應(yīng)加熱設(shè)備上

從上圖可見,DC-LINK電容器模組代替了典型機(jī)芯電路的多個分立并聯(lián)的濾波電容器.高壓諧振電容器模組,代替了典型機(jī)芯電路的多個分立并聯(lián)的諧振電容器.電容器模組一體化封裝,利用鋁殼散熱,M6螺母引出,塑膠卡鎖在散熱板上固定.

4、薄膜電容器模組使用優(yōu)點(diǎn)

a機(jī)芯內(nèi)部主回路采用銅條搭橋的工藝結(jié)構(gòu),銅條厚度得到保證,主回路過流能力強(qiáng),銅條溫升低.安裝操作簡單,方便,快捷,高效,大大降低出錯機(jī)率.

b主回路只需要兩條銅條,代替了以往的一大塊PCB,在產(chǎn)品材料成本上及人工費(fèi)用上,大大的降低了,產(chǎn)品可靠性得到提高.省去了PCB插件,過錫爐,補(bǔ)焊等工序.

c主回路跟驅(qū)動控制部份分離,做到強(qiáng)電/弱電分離.減少主諧振回路對芯片驅(qū)動部份的干擾.對產(chǎn)品的售后維修等帶來方便,元器件可再次使用,降低了維修成本.

d由于電容器均采用模組形式封裝,可利用鋁殼散熱,機(jī)芯完全可以做到全密封.解決了油煙,水氣,蟑螂,金屬粉塵等進(jìn)入機(jī)芯內(nèi)部的問題,提高了產(chǎn)品的可靠性及使用壽命.

e電容器由多個分立式并聯(lián)改為單一模組形式,解決了分立式電容器過流不均,分壓不均等問題,縮短主回路的線路距離,降低了線路分布電感對功率元器件的影響.

5、電容器模組實(shí)際使用情況

為測試鋁殼散熱諧振電容器模組內(nèi)部溫度,在制作樣品時電容器模組內(nèi)部裝入一只NTC熱敏電阻.某客戶使用2*0.8μF/1600VDC模組,用在15KW商用電磁爐半橋電路.

從實(shí)測數(shù)據(jù)可知,諧振電容器模組在室溫25℃和老化房40℃下,滿功率工作45分鐘左右,電容器內(nèi)部薄膜溫升達(dá)到穩(wěn)定,并隨著工作時間的增加,溫度一直穩(wěn)定下去.

目前DC-LINK電容器模組(MKP-LA)和高壓諧振電容器模組(MKPH-RA)經(jīng)過多家合作單位批量使用后,本司創(chuàng)格電子已對該系列電容器模組產(chǎn)品成功申請國家專利.

6、總結(jié)

IGBT可以由單管形式做成模塊形式,散熱效果好,過流能力強(qiáng).本司參考IGBT內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu),研發(fā)出帶鋁殼散熱結(jié)構(gòu)的電容器模組,應(yīng)用在感應(yīng)加熱設(shè)備上.經(jīng)過多家合作單位批量使用后,已于2010年大量推廣使用.

隨著感應(yīng)加熱設(shè)備市場需求量的不斷增加,產(chǎn)品競爭越來越激烈.企業(yè)要提高自身產(chǎn)品的市場占有率,必須投入人力物力,對舊產(chǎn)品進(jìn)行更新,技術(shù)進(jìn)行升級,才能提升企業(yè)自身的競爭力.