DC-LINK电容器及其参数选取

中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司 欧亚杰 李韩樱

DC-LINK电容器及其参数选取

中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司 欧亚杰 李韩樱

1.引言

直流电作为逆变器的供电电源时，直流电源需要通过直流母线与逆变器链连，这种供电方式也被称为DC-Link。由于逆变器需要DC-Link获取有效值和幅值很高的脉动电流，在DC-Link上产生很高的脉动电压使得逆变器难以承受。为此，需要对DC-Link进行支撑，以确保DC-Link的供电质量。在大多数情况下，支撑DC-Link的元件是电容器。DC-Link电容器的作用主要是吸收来自于逆变器向DC-Link索取的高幅值脉动电流，阻止其在DC-Link的阻抗上产生高幅值脉动电压，使逆变器端的电源电压波动保持在允许范围。DC-Link电容器的第二个作用就是防止来自于DC-Link的电压过冲和瞬时过电压对逆变器的影响。

2.金属化金属化膜电容器的优势

金属化膜电容器采用厚度为3 μm～10 μm的聚合物薄膜作为储能介质，电极采用纳米级厚度的蒸镀金属。在外加电压作用下，介质中的电弱点首先发生击穿。电弱点的形成有两种方式：一种是薄膜生产过程中引入的杂质或缺陷；另一种是由于薄膜老化而产生新的电弱点。当电弱点击穿后，电弱点周围薄膜储存的能量快速向击穿点注入，电弱点及其周围的金属电极迅速蒸发，电容器绝缘恢复，这一过程称为“自愈”。金属化膜的自愈性能使得金属化膜电容器的工作电压得到明显提升，电容器的储能密度得到显著提升。

金属化膜电容器具有的许多优势，金属化膜电容器在DC滤波上用来替代电解电容是一个趋势。使用DC-LINK平滑滤波金属化膜电容器，可以使金属化膜电容器比电解电容更加经济地覆盖600VDC以上的电压范围。目前对于干式技术，，金属化膜电容器在脉冲应用中薄膜应用的电场强度能够达到600V/μm以上；在DC滤波的应用中，薄膜应用的电场强度能够达到250 V/μm。电解电容使用氧化铝作为电介质，具有很多不足：

（1）耐压与电容量。通过比较，由于加工技术的原因，电解电容器中使用的铝箔厚度是达到高电压的关键因素。对于900 VDC，需要1.2μm的铝的厚度。然而，这个厚度是不可能达到的。

（2）高压下电流限制。，与低电压电解电容相比，高电压电解电容（500V）的电解液传导率达到了5 kΩcm，它的有效值电流被限制在大约20mA/μF。所以在要求更高电压的情况下，使用者必须将多只电容串联使用。

（3）高压下串联需进行平衡电压处理。由于各电容的绝缘电阻不同，使用者必须在每个电容上连接电阻以平衡电压。

（4）反向耐压能力低。电解电容器如果发生反向电压或高于额定电压1.5倍的过电压，其将导致化学反应。如果持续时间够长，电容器将完全失效。为避免这种情况，在电解电容器需要并联连接一个二极管以消除反向电势问题。。

（5）内阻大，如三个电解电容串联实现1.2kV/900μF，ESR为60mΩ；而金属化膜电容，3个并联实现1.2kV/900μF，ESR为0.7mΩ。

相对于电解电容器，金属化膜电容器的优势：

（1）通流能力大（1A/μF）；

（2）高压易实现；可承受短时过压（2倍）和反向电压；对于要求高额定电压的场合，膜电容的解决方案无疑很有优势。但如果要求高容值的场合，膜电容解决方案的竞争力就会减弱。的确，如果没有过压，有效值电流很低，同时需要大容值的场合，在900V以下的应用中，膜电容很难与电解电容竞争。

（3）保证耐压和通流能力下，体积可以减小为电解电容的1/4（高出能密度优点）；

（4）受尖峰电压dV/dt最大可到几十V/μs；

（5）特性好，能在120℃下长期工作。（有的资料标明最高85℃或105℃）

（6）电阻，低电感；（由于耐压能力较大，使用并联形式代替电解电容器中的串联形式）；

（7）寿命（6万-10万小时），无污染。

金属化膜电容器的单体电压可以做得比较高，适合用于电压高于800V及其以上场合；对寿命有重要要求的场合，电解电容寿命一般为2000-5000小时，金属化膜电容器可以达到6万-10万小时，对于一些对寿命有要求的场合可以采用金属化膜电容器，提高产品的性能稳定性。

3.DC-LINK电容器的选取

金属化膜电容器具有自愈功能，寿命较长；在不同工作温度下，其性能优于电解电容器。金属化膜电容器无正负极之分，两极可任意使用，母排设计简单。

与铝电解电容器相比，金属化膜电容器的杂散参数较小，等效串联电阻（ESR）和寄生电感非常低。等效串联电阻小，可以减少纹波电流在电解电容器中发热及功率损耗，提高电容使用寿命。直流母线寄生电感小，可在功率器件关断时不出现很高的感生电势，减少功率器件的关断损耗，避免感生电势过高而击穿功率器件。

由于薄膜的耐压能力及耐纹波电流能力较大，因此在满足电压及纹波电流的要求下，所需要的电容数及总电容值比采用电解电容有较大减少。通常情况下，同一机组，采用金属化膜电容器的电容值只是采用铝电解电容器的1/3.

为了满足直流波动指标要求，使用金属化膜电容器时，须要采用一定的控制策略来弥补电容值减少所带来的波动风险。

3.1 电容量

虽然大容量的支撑电容器可以抑制直流母线电压波动，但出于成本及可靠性考虑，还须尽可能地减少直流侧电容量。因此，我们要计算在最坏情况下满足稳定性要求的直流支撑电容量的理论最小值。为了得到这个最小值，须要考虑直流母线电压在一个PWM周期内升高到最大值的极端情况。理论最小电容值就是要阻止电压超过特定值的电容值。如果限定直流母线所能承受的电压波动，就会得到直流母线电容量的最小值。

最坏故障情况，即机侧和网侧变流器同时有最大能量流向直流母线支撑电容。分别找到机侧和网侧能量变化ΔEconverter和ΔEinverter的最大值。假设直流母线电压波动ΔVdc：

电容器在t 时刻储存的能量为：

电容器能量可以写成：

直流母线电压波动ΔVdcmax限定在一定范围内，比如ΔVdcmax≤λVdc。Vdc为直流母线参考电压；λ是设计参数，0＜λ＜1。

3.2 纹波电流

选取电容时，除电容量须满足上述约束条件外，还必须考虑到电容器的耐纹波电流能力。在实际设计过程中，由于电容器的纹波电流受变流器各输入输出量变化以及控制方式等影响，很难直接通过计算得到，一般根据经验公式或者计算机仿真的方式来估算。

根据对变流器拓扑结构的分析，可以得到直接计算直流母线电容器纹波电流的方法。

直流电容纹波电流为网侧变流器输出电流和机侧变流器输入电流之差：

这两个电流都可以分解为直流分量与交流分量之和：

直流电容纹波电流可写成：

该电流仅由以上两个电流的交流分量构成，机侧变流器的直流分量可以看作直接由网侧变流器供给：

化简可得：

即有：

由于这两个电流不包含同频谐波，即有：

直流电容纹波电流有效值由来自网侧变流器的交流分量和来自机侧变流器的交流分量两部分组成。J W Kolar等人给出了因机侧变流器而形成的纹波电流：

式中Iout，rms为机侧变流器输出电流有效值；M为调制比。

常东来等人给出了由网侧变流器引起的直流母线电容纹波电流可由以下公式计算得出：

其中C为直流母线电容；Umax为网侧变流器输出电压最大值，U为网侧变流器输入电压有效值；fR为网侧变流器整流输出脉动频率；tc和tdc分别代表直流母线电容的充放电时间。

直流母线支撑电容器的纹波电流与变流器输入电压及输出电流、负载功率因数、PWM 调制比、电容量、直流电压波动范围等因素有关。

4.小结

本文介绍了DC-link电容器的工作条件，重点分析了金属化膜电容器较电解电容器的具有的技术优势；依据三相整流逆变电路中电压纹波和电流纹波要求，给出dc-link电容器的电容量的选取依据，为DC-LINK电容器参数选取提供了理论计算依据。

参考文献

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［3］J W Kolar，S D Round. Analytical calculation of the rms current stress on the dc-link capacitor of voltage -pwm converter systems ［J］.IEE Proc Electr Power Appl，2006，153（4）∶535-543.

［4］辛倩，林资旭，赵斌，许洪华.金属化膜电容器在风电PWM变流器直流环节的应用［J］.可再生能源，2011（8）∶127-131.

［5］常东来.变频器中直流母线电容的纹波电流计算［J］.变频器世界，2010（2）∶50-52.

作者简介：

欧亚杰（1988—），男，大学本科，助理工程师，现任中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司甘陕管理处长宁靖边压气站副站长，研究方向为电气设备运行监测。

李韩樱（1989—），女，大学本科，现供职于中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司甘陕管理处长宁靖边压气站。