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利用集成高性能薄膜电容器提高电解电容器组的寿命

M. A.Brubaker，D.El Hage，TA Hosking，HC Kirbie和ED Sawyer SBE，Inc。81 Parker Road，Barre，VT 05641，USA电子邮件：信息：sbelectronics.com

摘要

用于风能和太阳能应用的逆变器需要直流链路电容器以在切换期间提供局部电荷储存器，并且存储用于穿越电网事件的能量。就电容密度而言，电解电容器对于该应用是理想的，但必须降低额定值以获得可接受的使用寿命。目前已经开发出一种结合了薄膜和电解电容器的最佳特征的混合型组来解决这个问题。先进的薄膜电容器为系统纹波电流提供高频分量，以降低电解温升并延长使用寿命。下面给出了实际直流链路电容器组的仿真和实验室测试结果。

1. 介绍

电压源逆变器是用于风能和太阳能应用的电力电子器件的常见元件。这种逆变器不可避免地需要直流电源和IGBT半桥之间的直流链路电容器[1]。该电容器提供本地电荷供应以支持开关事件，并且在许多情况下必须存储足够的能量以允许逆变器对电网事件（例如穿越）作出反应。有两种电容器技术可以支持这种功能，即薄膜和电解，它们提供了截然不同的性能属性。薄膜具有较高的电流额定值和较低的电容密度，而电解电容则具有出色的电容密度和低电流能力。传统上，电解组用于实现高直流链路电容，但电容器必须显著降低额定值以实现长使用寿命。

目前已经开发出一种使用混合膜/电解槽的新方法来解决该问题。该设计采用插在IGBT和传统电解组之间的高性能环形薄膜电容器[2]。如果实施得当，这种方法可以使薄膜电容器提供纹波电流的高频谐波，而电解电容则可以在更长的时间内提供储存的能量。最终结果是显著减少了电解电容器的加热，这直接转化为更长的使用寿命。请注意，这直接类似于在电路板级使用旁路电容[3]，但只能在高功率水平（例如100kW及以上）下使用非常高性能的薄膜电容实现。另一个优点是在开关输入端消除了缓冲器（旁路）电容器，这是由于薄膜电容器具有非常低的电感，并具有适当设计的互连。

2. 电路分析

术语“纹波电流”通常用于电力电子工业以指定直流链路电容器。虽然这个数字通常在单个频率（例如120Hz）的数据表中定义，但实际情况是纹波电流占据了很宽的频谱[4]。为了优化混合薄膜/电解方法，使用MicroCap10 [5]开发了详细的电路模型（见图1），以说明纹波电流谐波含量受制于调制方案，开关频率和开关转换时间等因素。该模型代表250kW逆变器，采用脉冲宽度调制，开关频率为2.7kHz，调制指数为0.9，开关转换时间约为1mu;s。

图1.用于模拟直流链路纹波电流频谱的逆变器等效电路

考虑在这些条件下工作的40mF电解组，其纹波电流频谱由图2中的红色曲线表示。2mF SBE功率环薄膜电容器的并联产生低通滤波器，正如图3所示，这个低通滤波器可以显著减少电解谐波含量。这种衰减用图2中的绿色曲线表示。添加薄膜“硬化剂”可以将电解组中的功耗降低三倍，电解组电流总量现在是原始值的60％。假设电解质库最初的纹波电流乘数为1，则薄膜电容器的增加使电解质库的寿命延长了10年以上（基于典型的电解电容器制造商的数据）。

图2.通过在现有的40mF电解槽中增加一个并联的2mF功率环薄膜电容器来减少纹波电流谐波的示意图

图3.通过将薄膜电容器并联到电解组所产生的低通滤波器响应

3. 实例

现在考虑一个用于可替代能源应用的250kW逆变器，其中大约400Arms的纹波电流必须由直流链路电容器组提供。典型的1000V直流总线电压将需要三个500V电解电容的串联，并联支路的数量由纹波电流额定值或穿越所需的总电容决定。使用额定电流为20Arms的工业标准5.4mF电解积木需要总共20个分支和60个罐来安全管理总库存值为36mF的400Arms的电流。

1. 分析

上一节中描述的分析方法用于评估电解组中并联薄膜电容器的情况，如表1所示，假设开关频率为2.7kHz，并且前面讨论过相同的PWM参数。使用1.5mF的薄膜，电解分支的数量可以安全地从20个减少到10个，因此总库存值为18mF时只需要30个罐。低通滤波器和纹波电流频谱含量降低的情况非常类似于图2和图3中所示的那样。如图4所示，建立了一个全尺寸演示模块进行评估，在电解槽和开关模块之间的层状总线结构上背靠背（并联）部署了两个0.75mF的功率环薄膜电容器投入。注意：薄膜电容器适合电解横截面，使得混合隔室可以容易地安装在为3times;N电解组设计的现有逆变器中。

表1.通过添加并联薄膜电容器（2.7kHz开关频率）来减少36mF电解槽的优化方案

图4.具有18mF电解和1.5mF薄膜的全尺寸原型混合直流链路电容器组的照片

因此可以通过增加由薄膜电容器提供的总电流来实现对电解电容器的益处，并且必须考虑其可靠性。表1清楚地说明了使用环形薄膜电容器的优点，其中低ESR使损耗最小化。在热阻方面获得了类似的增益，对于每个0.75mF薄膜电容器部分，热阻大约为2.3^oC / W.假设每个薄膜部分为8.5W，热点温度约为75^oC，假设情况为55^oC环境温度。SBE已在105^oC冷却剂[6]上对汽车应用的类似电容器部分进行了大量的寿命测试，结果表明在这些条件下可以实现大于300,000小时的平均失效前时间。

1. 台架测试

混合电容器组使用图5所示的电路进行测试，如图6所示的设置图所示。该测试的目的是专注于单个逆变器开关事件并演示安装和不安装1.5mF薄膜“固化剂”电容器的电解电容器的电流拉动。串联的三个12V汽车电池用于将电容器组充电至36V和打开富士2MBI225VN-

120-50（V系列）半桥来在整个组上连接一个0.1 欧姆的负载。并使用Pearson电流互感器测量通过负载电阻器和电解组的选定分支的电流。

图5.混合直流链路电容器原型等效电路的图示

电解分支1

扫描器

电解电容组

IGBT

薄膜电容组

负载电流扫描

图6.混合直流链路电容器原型台架测试配置的照片

选择脉冲长度为100mu;s来为 2.7kHz的开关提供代表性频谱，产生类似的纹波电流谐波和低通滤波器响应，如图2和图3所示。典型结果如图7所示，在图7中比较了有和没有薄膜的电解分支1和5（见图5）中的电流。薄膜电容器提供的低通滤波器的效果在电流波形的上升沿明显。在脉冲窗口的后期部分，频率成分显著降低，并且电流由薄膜和电解电容之间的电容比定义。

注意，该测试是使用新的电解电容器进行的，结果没有显示出由于老化导致的更高ESR的影响。进一步的测试正在进行以评估更高电解分支ESR的影响。

图7.安装和不安装1.5mF薄膜电容器的开关过程中电解分支电流的比较

100 s脉冲长度便于显示电解电容器在快速和慢速时间段的行为。如图8所示，对于具有较高频率含量的较短脉冲持续时间，薄膜电容器的优势最大化。这显示了具有和不具有薄膜电容器的电解分支1电流的扩展时间窗口。薄膜硬化剂对电解分支损失的影响为10、25和50 s，分别减少90％，60％和30％。虽然现有装置中的上升时间目前是

资料编号：[3616]