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讓直流支撐電容器（Dc_Link）應用更“安全”

來源：江蘇芯鉆時代電子科技有限公司   2022年08月15日 13:12  

    近十年來越來越多的行業(yè)，用戶選擇金屬化薄膜電容器解決方案代替鋁電解電容器解決方案，有鑒于用戶端越來越注重于電容器的應用“安全”。

  1. 新能源汽車電子行業(yè)，純電動汽車電機控制器上電容器的應用；

  2. 新能源行業(yè)，風電變流器、光伏逆變器的電容器的應用；

  3. 節(jié)能行業(yè)，高壓變頻器等電容器的應用；

  4. 電源行業(yè)，中頻感應加熱設(shè)備、開關(guān)電源等電容器的應用；

  5. 電能質(zhì)量行業(yè)，電力（SVG）電子、有源電力濾波器（APF）等產(chǎn)業(yè)鏈上電容器的應用；

  6. 機車行業(yè)，輕軌、高鐵、地鐵、有軌電車等電容器的應用；

 

 

而在這些個行業(yè)有序替代的應用場景內(nèi)，直流支撐使用需求替代又似乎是必然?。?/section>
直流支撐電容器稱為Dc-Link電容器，被安裝或焊接在直流母線上，又稱為母線電容器。

 

 

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圖1 直流支撐電容器在光伏并網(wǎng)逆變器中應用

 

 

 

新能源光伏、汽車電子、節(jié)能、電能質(zhì)量等行業(yè)逆變器、變流器、電力無功補償?shù)葢?，離不開SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，而在能量轉(zhuǎn)換的過程中，提高開關(guān)頻率提升能量轉(zhuǎn)換的效率，是能源危機下采取的技術(shù)手段之一。SPWM調(diào)制波的頻率一般都會＞20倍基波，小功率的逆變器開關(guān)頻率會在幾十千赫茲至幾百千赫茲，如此高的開關(guān)頻率是鋁電解電容器是無法滿足的。

 

 

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圖2 直流支撐電容器在SVG中應用

 

 

 

薄膜電容器其具有耐電壓高、大電流、低阻抗、低ESR、容量損耗小、泄漏電流小、溫度性能優(yōu)良、充放電（dv/dt  di/dt）響應速度快、使用壽命長（約10萬小時）、安全防爆穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，被用戶認可接受。

 

 

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圖3 直流支撐電容器在汽車電子中應用

在探討直流支撐電容器耐久性測試解決方案前，讓我們先認識一下直流支撐電容器（Dc-Link）。

（一）直流支撐電容的作用

  1. 直流支撐電容因沒有極性，能夠承受反向電壓；

  2. 更低的ESR，具有紋波電流的耐受能力；

  3. 良好的溫度和頻率特性，更多的適用于高頻、dv/dt、di/dt大電流響應速度要求高的場合；

  4. 作為電路中不可缺重要的一份子，直流支撐電容器可以使母線電壓在IGBT開關(guān)的時候仍比較平

  5. 降低IGBT端到動力供電端的電感參數(shù)，削弱母線的尖峰電壓；

  6. 吸收直流母線端的高脈沖電流；

  7. 防止母線端電壓的過充和瞬時電壓對電路的影響等等

（二）直流支撐電容在復雜工況下的風險

 

 

直流支撐電容器在用戶端復雜使用工況下的早期失效，是一種風險，或者嚴重的說是一種“事故”。風險來源于電容器產(chǎn)品研發(fā)、制造商缺乏摸底試驗，未深入的了解行業(yè)用戶的實際使用工況而造成的。

 

 

電容器的早期失效無非是電壓擊穿、熱擊穿兩個最主要的因數(shù)導致！

 

 

如何導致電容器電壓擊穿，主要與電容器的基膜選型、整體設(shè)計、生產(chǎn)制造工藝密切相關(guān)。而電容器的熱擊穿，一方面與電容器的設(shè)計相關(guān)聯(lián)，另一方面，與用戶的整機使用工況密切相關(guān)。

 

 

我們首先探討導致電容器的熱擊穿噪聲（干擾）的來源：

（三）噪聲（干擾）的來源

噪聲干擾大致來自于以下3個方面：

  1. 由電網(wǎng)中各種電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾沿電源線傳播引起的。噪聲可分為兩類：共模干擾和差模干擾。共模干擾被定義為任何載流導體和參考地之間的不希望有的電位差，差模干擾被定義為任意兩個載流導體之間的不希望有的電位差。

  2. 電源的輸入端一般采用整流橋和電容濾波型整流電路，畸變的脈動電流不僅含有基波分量，而且含有高次諧波分量。這些高次諧波分量會疊加在直流支撐電容器上，加劇電容器的發(fā)熱；

  3. IGBT逆變橋上的工作頻率直接關(guān)系到電磁干擾的強度，隨著開關(guān)頻率的增加，諧波電壓和電流的切換速度加快，傳導干擾和輻射干擾也隨之增加。這些高次諧波會疊加在直流支撐電容器上，加劇電容器的發(fā)熱

（四）溫度對電容器的影響

一般情況下，電容器的標稱上會注明容量、耐壓值、允許工作的溫度、容量的±偏差。溫度對電容器的影響卻是非常重要的。

4、1.溫度與電容器的損耗

 

 

電容器的損耗是電容器的一個非常重要的指標，是衡量電容器品質(zhì)的重要標志，決定著電容的使用壽命和電容器在電路中的作用效果。任何電容器都有一個損耗角tanδ，是隨著溫度的升高而增加。

 

 

4、2.溫度與電容器的絕緣電阻

 

 

一般情況下，電容器的絕緣電阻隨著溫度的升高而降低，絕緣電阻的降低又導致電容器的泄漏電流增大。

 

 

4、3.溫度與電容器的容量

 

 

電容器的容量隨溫度而變化，我們稱之為溫度系數(shù)，當溫升升高10℃時，電容器的壽命會降低一半。以壽命30000小時、標稱105℃的電容器，在20~40℃時，可以工作30000小時，而在105℃時，壽命會縮短到3000小時以下。

 

 

復雜工況使用中，直流支撐電容器怎么樣更“安全”呢？

答案永遠是產(chǎn)品的品質(zhì)。

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圖4為電容器的生產(chǎn)工藝流程圖，如何的管控電容器的原材料的采購、生產(chǎn)工藝流程的改進、設(shè)備的優(yōu)化等等，都是產(chǎn)品品質(zhì)提升的管控關(guān)鍵！！
而作為生產(chǎn)工藝流程的關(guān)鍵工序–電檢測試，是電容器在整套流程中把關(guān)的守門大員，也是流程中最*工序，更是被列入《電力電子電容器國家標準》的“質(zhì)量要求與試驗”必須要完成的型式試驗。
怎么樣做好電容器產(chǎn)品出廠前的型式試驗？如何有效的提升產(chǎn)品品質(zhì)？
進一步的甄別產(chǎn)品的設(shè)計不足，改善工藝流程的缺陷，把電容器早期失效的風險降到比較低，為終端用戶提供有競爭力的解決方案！

 

 

（五）試驗的方法與目的

 

 

諸多電容器生產(chǎn)企業(yè)在電氣測試時，會按照標準要求中的1.25Un或者1.35Un試驗要求做型式試驗，往往忽略了電容器在實際使用復雜工況中高次諧波的干擾，造成電容器致命的傷害，引起早期失效。

 

 

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圖4 直流支撐電容器在SVG中應用

 

 

我們在圖4 SVG電力電子無功補償電路拓撲中可以看到，核心IGBT模塊的工作高頻開關(guān)狀態(tài)，那么，直流支撐電容器也就處在諧波干擾范圍內(nèi)，高次諧波電壓、電流會直接疊加在上面。
工作在高次諧波電壓、電流復雜工況下，電容器自身的寄生電感、等效串聯(lián)電阻成了一個發(fā)熱源，極大的影響到電容器的品質(zhì)！當溫升至金屬化薄膜、基膜極*，電容器會熱擊穿故障。
所以，電容器的復雜工況下摸底試驗，包括耐久性試驗、熱穩(wěn)定性試驗、復雜工況下等電氣測試，成為生產(chǎn)工藝流程不可少的重要環(huán)節(jié)。

 

 

 

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