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让直流支撑电容器（Dc_Link）应用更“安全”

时间：2022-08-16 阅读：2707

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”。

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；
新能源行业，风电变流器、光伏逆变器的电容器的应用；
节能行业，高压变频器等电容器的应用；
电源行业，中频感应加热设备、开关电源等电容器的应用；
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；
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。

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。

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。

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

直流支撑电容因没有极性，能够承受反向电压；
更低的ESR，具有纹波电流的耐受能力；
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；
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
降低IGBT端到动力供电端的电感参数，削弱母线的尖峰电压；
吸收直流母线端的高脉冲电流；
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：

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。
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；
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。

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*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比较低，为终端用户提供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。

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*，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，成为生产工艺流程不可少的重要环节。