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关于二端子有源电容器的实用设计
摘要—最近提出了一种基于有源电压电子电路的带有电压控制方法和自供电方案的两端有源电容器概念。它保留了仅用作两个电源端子的无源电容器的便利性，而无需任何其他必需的连接，并且有可能根据应用增加功率密度或降低设计成本。基于先前的概念验证研究，本文解决了两端有源电容器的设计约束，阻抗建模和启动解决方案。针对功能性，效率，寿命和成本受限应用的设计方法被应用于确定有源元件和无源元件的尺寸。实施电压前馈控制方案以改善其动态响应。提出了两种启动解决方案来克服自供电方案带来的问题。提出了一个用于单相全桥整流器直流环节的有源电容器的案例研究，以证明理论分析。
索引词-有源电路，电容器，电源转换器，可靠性。
I.介绍
电力电子的应用需要消耗大量的电容器来进行谐波滤波、功率平衡和/或短期储能。在单相电压源整流器或逆变器系统中，电容性直流链路需要过滤低频电流分量，同时将电压变化限制在特定范围内。在三相系统中，线路电压和/或负载中可能出现的不平衡会在直流链路中引入低频谐波[1]。因此，在大多数单相和三相应用中，电容性直流链路需要一个庞大的电容器组。此外，在兆瓦级大功率逆变器应用中，交流滤波器还需要大容量的电容器组[2]。
于2018年10月24日收到手稿;于2018年12月7日修订;公认
发布日期：2019年1月5日。发布日期：2019年1月15日。当前版本的最新日期为2019年6月28日。这项工作部分由丹麦创新基金通过先进电力电子技术和工具项目提供支持，部分由中国广东省东莞市国际合作与交流基金提供支持。 2016508102005.建议由副编辑K. Ngo出版。该论文的部分内容于2017年8月/ 9月在希腊蒂诺斯举行的IEEE国际电机，电力电子和驱动器诊断研讨会上，以及在美国加利福尼亚州斯坦福举行的第18届IEEE电力电子控制和建模研讨会上， 2017年7月。（通讯作者：王淮。）
H. Wang和H. Wang在丹麦奥尔堡9220的奥尔堡大学能源技术系任职（电子邮件：hao@et.aau.dk; hwa@et.aau.dk).
刘。华中科技大学自动化学院，湖北武汉430074（e-mail：yangliu30@hust.edu.cn).
本白皮书中一个或多个附图的彩色版本可在线获得，网址为：http://ieeexplore.ieee.org.
数字对象标识符10.1109 / TPEL.2019.2893156
电解电容器、薄膜电容器和陶瓷电容器已经被应用于一个或多个这样的应用中，考虑到它们各自的电特性，成本，体积效率和可靠性性能，电解电容器，薄膜电容器和陶瓷电容器已经用于这些应用中的一种或多种。电容器技术的进步已将高性能产品推向市场，例如高密度，长寿命，低等效串联电阻（ESR）或高温系列。然而，电容器仍然是电力电子系统中故障率最高的组件之一，即使采用最新的电容器技术，在成本和/或功率密度方面的设计约束也会受到电气和可靠性性能的影响，这仍然是一个巨大的挑战[3]。
电力电子研究人员已经探索了一条替代途径，通过引入带有辅助有源电路的电容器组来克服这一挑战[4] – [11]，特别是在电容性直流母线应用中。为了实现特定的使用寿命目标，在[12]中针对总组件成本提出了针对单相应用的不同方法的基准测试。研究表明，最具成本效益的解决方案基于串联的辅助电路[8]-[11]。通过在[8]中应用辅助电路拓扑，电压控制方法和自供电方案，最近在[11]中提出了两端有源电容器的概念。两端有源电容器与仅具有两个电源端子的无源电容器具有相同的使用便利性，而无需任何其他需要的控制信号和电源连接。因此，可以通过电压，纹波电流，等效电容，ESR，等效串联电感（ESL）和工作温度范围来对有源电容器进行评估。如[11]中所讨论的，对于给定的可靠性规范，用有源电容器实现的功率电子转换器可以实现功率密度的提高或设计成本的降低。
进行[11]中提出的两端有源电容器概念需要解决几个实际的设计问题。首先，包括功能，效率，成本和可靠性方面的考虑在内的设计约束仍然是未解决的问题。其次，需要证明有源电容器的动态响应及其相关的阻抗特性（相对于无源电容器）。第三，由于有源电容器的自供电方案和相对较低的组件额定值，因此需要特别注意有源电容器的启动。处理上述三个方面问题的其他应用程序的启示为这项研究提供了基础。在[10]中对高功率密度单相逆变器应用中的有源电容性直流链路的设计约束进行了很好的讨论，这可能适用于两端
有源电容器的设计也是如此。因此，以下讨论的重点是对成本约束的应用程序，这与大多数行业部门有关。这类应用的实际挑战是设计有源电容器，以最小的成本实现功能，效率和使用寿命目标。在基于可靠性的设计方法[14]中，在[13]中提出了这样的组件尺寸确定程序。
[16] – [18]中讨论的功率电子元件成本模型。对于动态响应和阻抗特性分析，大信号建模和小信号建模是广泛应用的工具[19]。电压前馈控制是改善动态响应和电压稳定度的解决方案之一[20] [21]，这对于二端有源电容器也值得探讨。在实际设计中应用了不同的启动电路[22]-[24]或启动算法[25]，[26]，以限制功率电子转换器的浪涌电流。然而，由于以下原因，这些启动方法不能直接应用于两端有源电容器。
1）有源电容器在启动期间没有用于其栅极驱动器和控制器的内部电源。
2）其组件具有相对较低的额定电压，并且具有有限的过电压能力。
本文旨在提出相关方法，以克服上述三方面的成本约束应用中的两端有源电容器的实际设计挑战。除了分析设计约束之外，对动态响应和阻抗特性建模以及启动解决方案的研究也适用于高功率密度应用。即使本文要讨论的部分结果已经在以前的会议出版物中进行了介绍[27]，[28]，但值得通过一个案例研究对所有三个重要方面进行更全面的讨论。此外，添加了以下新结果。
1）提出了有源电容器阻抗特性的理论分析和数学模型。
2）调查启动问题和相应的解决方案，包括组件尺寸和启动电路
本文的结构如下。第二节简要介绍了两端有源电容器的概念。第三节从电气性能，成本和可靠性方面讨论了有源电容器的设计约束和组件尺寸确定程序。第四部分介绍了采用和不采用前馈控制方案的有源电容器的阻抗特性模型。第五部分给出了启动过程分析，并为有源电容器提出了两种启动解决方案。第六节演示了用于单相电容性直流链路应用的两端有源电容器的案例研究，并对稳态性能，动态响应和启动过程进行了实验验证。
II.二端有源电容器概念
图1显示了一个二端有源电容器的系统图。全桥转换器与电容器C1串联连接。它只处理C1的纹波电压和纹波电流，表示VA额定值低。因此，有可能实现一种具有成本效益的电容性直流母线解决方案，这将在第三部分中进行讨论。此外，由于低额定值辅助电路的特性，需要指定的启动注意事项以确保辅助电路的电应力低于额定值。
有源电容器的控制目标是根据内部信号将从AB端子看到的阻抗调整为感兴趣的等效无源电容器的阻抗。因此，从控制方面来看，它可以使有源电容器完全独立运行，而无需来自外部电路的任何反馈信号。图1所示的控制方法是调制
电压vC3与vC1中的纹波分量异相且幅度相同。GHPF(s)、GLPF(s)、G2 (s)分别是高通滤波器(HPF)、低通滤波器(LPF)和PI控制器的传递函数。VC2，ref是C2的参考电压，alpha;是vC1的纹波分量的比例因子。为了将端子特性与无源电容器进行比较，在第四节中导出了有源电容器的阻抗特性。
图1. [11]中提出的有源电容器概念的系统图
III.有源电容器的元件尺寸成本对应用的限制
本节通过考虑工作原理，寿命和成本来介绍有源电容器的元件尺寸。第III–V节中得出的分析方
表一有源电容器的单相系统规范
程式是通用的，并且图中给出的数值结果基于表I中所述规格的特定设计案例。
- 元件尺寸的基本标准
1)尺寸标准C1：C1影响辅助电路处理的视在功率和效率。
a)约束I-辅助电路的视在功率极限：在稳态操作中，流过有源电容器iC1（t）的电流为
（1）
其中omega;是基频，n是谐波的阶数。为简单起见，在下面的分析中仅考虑n次谐波。如果考虑两个或多个谐波分量，则可以应用叠加原理。In是纹波电流的幅度，而delta;n是纹波电流的相移。C1的稳态电压为
（2）
其中是C1的峰峰电压,是端子A和B两端的平均电压，的控制目标是中纹波分量的反向电压；因此，我们有
（3）
从上述方程式可以看出，C1与的振幅成反比，它决定了均方根电压电流应分别为辅助电路的。
图2. C1，In与视在功率比之间的关系（针对表I中所述的案例研究）
（a）
(b)
图3.带有直流链路E电容和直流链路有源电容器的系统图。
（a）带有直流母线E-cap的系统
（b）带有直流链路有源电容器的系统
而经过处理的辅助电路与主系统的视功率比为
(4)
对于具有规格的指定单相设计系统根据表I中的描述，有源电容器的端子均方根电压和电流分别为和，而处理后的视在功率比为
(5)
S表示辅助电路中的视在功率处理过的有源电容器
图4.效率下降Delta;eta;与其他设计参数之间的关系
会影响效率和有源电容器的成本。替代进入上述方程式.C1的值应满足
（6）
C1和视在功率比和纹波电流之间的关系如图2所示。
b)约束II-系统效率极限：效率是有源电容器的设计约束之一，具体取决于实现方式。如图3所示，如果假设表示主电路的效率（与常规无源直流链路电容器）和有源电容器的辅助电路可以分别设计为eta;1和eta;2，而常规直流链路电容器和电容器C1的ESR可以设计为有源电容器分别为R1和R2，系统的总功率损耗为
(7)
因此，具有有源电容器的系统的效率为
(8)
有源电容器引入的效率下降可以用Delta;eta;来描述，Delta;eta;是采用常规直流母线E-cap的系统的效率之差eta;1和带有有源电容器的系统效率,可以写成
(9)
在最大允许效率下降的情况下，定义了Delta;eta;最大值，C1的值应满足
(10)
C1，eta;2和Delta;eta;之间的关系如图4所示，其中R1= 405mOmega;，R2= 10mOmega;由阻抗分析仪Agilent E4980A测量。如果eta;2
为94％，效率下降为0.18％。C1的电容也会影响系统的效率下降。C1越大，效率下降越小，因为辅助电路处理的功率降低了。
2）尺寸标准C2：C2是有源电容器中辅助电路的直流链路电容器。C2的电容会影响辅助电路的工作。需要考虑的两个约束如下。
a)约束I-电压可控制性：基于图1所示的控制方案，vC3（t）和vC2（t）之间的关系表示为
(11)
其中m（t）是调制信号；它取决于以下两个控制信号。
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