让直流支撑电容器(Dc_Link)应用更“安全”,我们有方案

发布时间:2022-7-8
近十年来越来越多的行业,用户选择金属化薄膜电容器解决方案代替铝电解电容器解决方案,有鉴于用户端越来越注重于电容器的应用“安全”。
  1. 新能源汽车电子行业,纯电动汽车电机控制器上电容器的应用;
  2. 新能源行业,风电变流器、光伏逆变器的电容器的应用;
  3. 节能行业,高压变频器等电容器的应用;
  4. 电源行业,中频感应加热设备、开关电源等电容器的应用;
  5. 电能质量行业,电力(SVG)电子、有源电力滤波器(APF)等产业链上电容器的应用;
  6. 机车行业,轻轨、高铁、地铁、有轨电车等电容器的应用;
而在这些个行业有序替代的应用场景内,直流支撑使用需求替代又似乎是必然!!
直流支撑电容器称为Dc-Link电容器,被安装或焊接在直流母线上,又称为母线电容器。

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图1 直流支撑电容器在光伏并网逆变器中应用

 

新能源光伏、汽车电子、节能、电能质量等行业逆变器、变流器、电力无功补偿等应用,离不开SPWM脉宽调制技术,而在能量转换的过程中,提高开关频率提升能量转换的效率,是全球能源危机下采取的技术手段之一。SPWM调制波的频率一般都会>20倍基波,小功率的逆变器开关频率会在几十千赫兹至几百千赫兹,如此高的开关频率是铝电解电容器是无法满足的。

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图2 直流支撑电容器在SVG中应用

 

薄膜电容器其具有耐电压高、大电流、低阻抗、低ESR、容量损耗小、泄漏电流小、温度性能优良、充放电(dv/dt  di/dt)响应速度快、使用寿命长(约10万小时)、安全防爆稳定性好等优势,被用户认可接受。

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图3 直流支撑电容器在汽车电子中应用

在探讨直流支撑电容器耐久性测试解决方案前,让我们先认识一下直流支撑电容器(Dc-Link)。

(一)直流支撑电容的作用

  1. 直流支撑电容因没有极性,能够承受反向电压;
  2. 更低的ESR,具有纹波电流的耐受能力;
  3. 良好的温度和频率特性,更多的适用于高频、dv/dt、di/dt大电流响应速度要求高的场合;
  4. 作为电路中不可缺重要的一份子,直流支撑电容器可以使母线电压在IGBT开关的时候仍比较平
  5. 降低IGBT端到动力供电端的电感参数,削弱母线的尖峰电压;
  6. 吸收直流母线端的高脉冲电流;
  7. 防止母线端电压的过充和瞬时电压对电路的影响等等

(二)直流支撑电容在复杂工况下的风险

直流支撑电容器在用户端复杂使用工况下的早期失效,是一种风险,或者严重的说是一种“事故”。风险来源于电容器产品研发、制造商缺乏摸底试验,未深入的了解行业用户的实际使用工况而造成的。

电容器的早期失效无非是电压击穿、热击穿两个最主要的因数导致!

如何导致电容器电压击穿,主要与电容器的基膜选型、整体设计、生产制造工艺密切相关。而电容器的热击穿,一方面与电容器的设计相关联,另一方面,与用户的整机使用工况密切相关。

我们首先探讨导致电容器的热击穿噪声(干扰)的来源:

(三)噪声(干扰)的来源

噪声干扰大致来自于以下3个方面:

  1. 由电网中各种电气设备产生的电磁干扰沿电源线传播引起的。噪声可分为两类:共模干扰和差模干扰。共模干扰被定义为任何载流导体和参考地之间的不希望有的电位差,差模干扰被定义为任意两个载流导体之间的不希望有的电位差。
  2. 电源的输入端一般采用整流桥和电容滤波型整流电路,畸变的脉动电流不仅含有基波分量,而且含有高次谐波分量。这些高次谐波分量会叠加在直流支撑电容器上,加剧电容器的发热;
  3. IGBT逆变桥上的工作频率直接关系到电磁干扰的强度,随着开关频率的增加,谐波电压和电流的切换速度加快,传导干扰和辐射干扰也随之增加。这些高次谐波会叠加在直流支撑电容器上,加剧电容器的发热

(四)温度对电容器的影响

一般情况下,电容器的标称上会注明容量、耐压值、允许工作的温度、容量的±偏差。温度对电容器的影响却是非常重要的。

4、1.温度与电容器的损耗

电容器的损耗是电容器的一个非常重要的指标,是衡量电容器品质的重要标志,决定着电容的使用寿命和电容器在电路中的作用效果。任何电容器都有一个损耗角tanδ,是随着温度的升高而增加。

4、2.温度与电容器的绝缘电阻

一般情况下,电容器的绝缘电阻随着温度的升高而降低,绝缘电阻的降低又导致电容器的泄漏电流增大。

4、3.温度与电容器的容量

电容器的容量随温度而变化,我们称之为温度系数,当温升升高10℃时,电容器的寿命会降低一半。以寿命30000小时、标称105℃的电容器,在20~40℃时,可以工作30000小时,而在105℃时,寿命会缩短到3000小时以下。

复杂工况使用中,直流支撑电容器怎么样更“安全”呢?

答案永远是产品的品质。

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图4为电容器的生产工艺流程图,如何的管控电容器的原材料的采购、生产工艺流程的改进、设备的优化等等,都是产品品质提升的管控关键!!
而作为生产工艺流程的关键工序–电检测试,是电容器在整套流程中把关的守门大员,也是流程中最不可缺的工序,更是被列入《电力电子电容器国家标准》的“质量要求与试验”必须要完成的型式试验。
怎么样做好电容器产品出厂前的型式试验?如何有效的提升产品品质?
进一步的甄别产品的设计不足,改善工艺流程的缺陷,把电容器早期失效的风险降到最低,为终端用户提供最有竞争力的解决方案!

(五)试验的方法与目的

诸多电容器生产企业在电气测试时,会按照标准要求中的1.25Un或者1.35Un试验要求做型式试验,往往忽略了电容器在实际使用复杂工况中高次谐波的干扰,造成电容器致命的伤害,引起早期失效。

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图4 直流支撑电容器在SVG中应用

我们在图4 SVG电力电子无功补偿电路拓扑中可以看到,核心IGBT模块的工作高频开关状态,那么,直流支撑电容器也就处在谐波干扰范围内,高次谐波电压、电流会直接叠加在上面。
工作在高次谐波电压、电流复杂工况下,电容器自身的寄生电感、等效串联电阻成了一个发热源,极大的影响到电容器的品质!当温升至金属化薄膜、基膜极限时,电容器会热击穿故障。
所以,电容器的复杂工况下摸底试验,包括耐久性试验、热稳定性试验、复杂工况下等电气测试,成为生产工艺流程必不可少的重要环节。
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