《电解电容器的性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电解电容器的性能（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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，这种思想是受常规虫 王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3300p F/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
2、的时间内，滤波电容器由于放电造成的 电压下降为3335V，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68mQ，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90入甚至更高的纹波电流，当然这个纹 波电流可与通过
3、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
4、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/P s甚至更高的电流变化，在川H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
5、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3300 M F/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：40C 时
6、的额定纹波电流为22.2A，而在85C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1*A。不仅如此，寿命也仅能在85C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40C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40C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
7、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 6090mQ，纹波电流越位8090A，在两并两串的电解电容器上将产生4070W的功耗，每个 电解电容器所产生的损耗约为1020W。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
8、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/P s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。碰 电容薄厂商，Irrasimi - ri
9、fa、CUti型号/5CGF5A2&3-32T-Efl355-A53aB-lfl-FEH1&3 四43 科-sal 匚 332Koan网.寿珈，归时魂电板52 2C qpIGlKJHi)13.9 ( &ST：LODKe)-13t a&TGJStJHi) 眼定蜒电50 q ( SJVlOkHc )-1 pp42 7( MTC LDidfc 】副庾定虢波电qn Q *- WwinrIDQHi, Z1C1 Uii lijaHi.ztfC) f33upD.祯OKZ3.0L时LDOi3 hJ1.2i.ES+J|J.3-11 35 :i.33ih5kHx*莉1*E.成博JDkHi 以1. V4通过表广表3
10、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
11、、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
12、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1mQ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
13、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
14、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）： 1000p F5%，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（tan。0）：50X10-4，ESR： 0.9mQ ；最大参数：浪涌电压（US）： 450V,浪涌电 流（IS）： 5kA, （du/dt） S： 5V/p s；测试参数:（UTT） DC550V, 10秒，绝缘电阻（
