1、变频器用整流滤波电容器的性能分析 2009 年 09 月 14 日 作者：陈永真 来源：中国电源博览 编辑：樊晓琳 摘要：电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，通常认为其最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器。实际对于三相桥式整流电路输出母线的电解电容器的能主要的作用是吸收直流母线上的整流纹波电流和由于逆变器所产生的纹波电流。因而电解电容器的ESR、ESL 以及由此而产生的阻抗频率特性将显得比电容量更为重要。关键词：电解电容器 ESR 纹波电流 寿命Abstract：Electrolytic Capacitor used as rectify filter
2、 capacitor of transducer/inverter, the most important parameters of it are actually recognized as rating voltage、capacitance, electrolytic Capacitor is actually used as rectify filter capacitor. In practical, taken in the rectifier ripple current of the DC bus and the ripple current created by the i
3、nverter are the most important functions of electrolytic Capacitor used in three phase bridge rectifier output bus. So, ESR、ESL of the electrolytic Capacitor and the resistance frequency characteristic followed by it are seemed to be more important than capacitance. Key words：electrolyte capacitor E
4、SR ripple current using life1. 电解电容器的作用电解电容器作为变频器/逆变器的整流滤波电容器，一般认为：电解电容器的最主要的参数是额定电压、电容量，通常采用电解电容器作为整流滤波电容器，这种思想是受常规电子技术的单相整流电路的影响。在三相整流电路中，每个电源周期共有 6 个波头，如采用电容器滤波，则每个波头仅 1/3 的时间是整流器导通向输出供电，剩下的 2/3 的时间，输出功率就只能靠电容器提供，这个时间约为电源周期的1/9，即 2.22mS。以输出功率为 30kW 的变频器，滤波电容器通常采用 3300F/400V 电解电容器两串两并。在这种负载条件下的整流输
5、出的平均值电流约为 50A。在整流器不工作的 2.2mS 的时间内，滤波电容器由于放电造成的电压下降为 3335V，是 600V 整流输出平均电压的 0.055，如考虑电解电容器的等效串联电阻约为 68m，50A 纹波电流下的 ESR 电压降将达到 3.5V，这时的纹波电压幅值将超过 6%，约为没有电容器滤波时的一半，表明整流输出滤波电容器实际上不是用来滤波的，而是用来吸收来自整流器和逆变器的纹波电流。变频器主流母线中的纹波电流的产生主要有两个方面：工频整流滤波的纹波电流，在电容输入滤波工作状态时滤波电路中尤为明显，其纹波电流的有效值大约为整流输出电流平均值的 3 倍或更高，对于 3相 380
6、V 直接整流来说，每千瓦输出大约需要滤波电容器流过 6A 以上的纹波电流，对于一个 30 千瓦的变频器，滤波电容器需要滤掉 90A 甚至更高的纹波电流，当然这个纹波电流可与通过在整流器与滤波电容器之间接一个电抗器来大大减小。但是产生纹波电流的另一个源（逆变器产生的纹波电流）却绝对不能采用串入电抗器解决；产生纹波电流的另一个原因就是逆变器工作时产生的输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流，逆变器输出频率的纹波电流以逆变器驱动感应电动机为例，要产生很高幅值得开关频率下的纹波电流，第二种纹波电流是所有变频器/逆变器无法自身消除掉的，只能利用滤波电容器来吸收，如变频器驱动 30kW 的感应电机时，
7、变频器的直流母线上至少要产生 60A 的纹波电流！这个滤波电流将在滤波电容器的 ESR 中产生明显的功率损耗。由于成本的限制，直到现在，没有一个变频器生产厂家将滤波用铝电解电容器的纹波电流限制在电解电容器的额定纹波电流以下，因此对于需要较长的应用寿命应用领域下的变频器/逆变器采用电解电容器作为滤波电容器将不得不定期更换滤波电容器，而在不能定期更换滤波电容器的场合下，只能是定期的报废变频器/逆变器，这样既不利于确保可靠性也不利于低成本使用。那么变频器的直流不想上是否可以没有滤波电容器？结论是绝对不可以的。在逆变器的开关管开关过程中，可以产生 400A/s 甚至更高的电流变化，在 1H 的电感上将
8、产生 400V 的感生电势，因此，需要用滤波电容器进一步减小主流母线的寄生电感。为了降低逆变器直流母线的寄生电感所引起的阻抗，需要降低逆变器直流母线的阻抗，最简单的办法就是在直流母线上并接低 ESR 同时也是低 ESL 的电容器，即通常电子市场上经常说的突波吸收电容器。从上面分析可以看到：整流滤波电容器的作用实际上更倾向于吸收逆变器产生的纹波电流，抑制逆变器中的开关管的开关过程而产生的过冲电压。降低直流母线阻抗。2.电解电容器的纹波电流与寿命的关系 1变频器/逆变器滤波与平滑一般是采用电解电容器，对于三相 380V 输入的整流电路，通常采用两只额定电压 400V 或 450V 的电解电容器串联
9、应用。例如一个输出功率为 30kW 的变频器，整流滤波电容器可以采用四只 3300F/400V 电解电容器两串两并实现。以通常认为性能很好的日立变频器用 HCGF5A 的电解电容器为例：40时的额定纹波电流为22.2A，而在 85按日立公司的折算方法，对应额定纹波电流将降低到 8.2A，两只并联也不过是 16.4A。不仅如此，寿命也仅能在 85温度下保证 2000 小时。而整流器的纹波电流就是接近 60A！，加上逆变器的 60A 纹波电流，电解电容器间处于什么状态？这两个纹波电流即使按均方根值计算也将达到 85A 以上，是 40下的额定电流的近 4 倍！这时的滤波电容器的寿命将会怎样呢？ 图
10、1 为变频器用滤波电解电容器的寿命与环境温度、纹波电流的关系（日立电解电容器的数据表中没有给出这样的曲线）。图 1 变频器用滤波电解电容器的寿命与环境温度、纹波电流的关系从图中可以看到，大型电解电容器即使在环境温度为 40是的极限电流有效值也不会超过额定电流值的 3 倍，并且寿命仅仅达到了最高工作温度的寿命值。如果真得在这种条件下工作，变频器能保证的寿命仅仅是 3 个月。如果电解电容器的环境温度进一步升高，寿命还将进一步缩短。3影响对变频器性能的电解电容器特性3.1 电解电容器的 ESR在变频器中，所有的纹波电流流过电解电容器，这个纹波电流在电解电容器的 ESR 产生功耗并编成焦耳热。以 30
11、kW 变频器为例，并联在直流母线的电解电容器总的 ESR 约为 6090m，纹波电流越位8090A，在两并两串的电解电容器上将产生 4070W 的功耗，每个电解电容器所产生的损耗约为1020W。对于散热性能很差的电解电容器，这将产生比较高的温升，进一步缩短了电解电容器的寿命。3.2 电解电容器的阻抗频率特性电解电容器的阻抗频率特性的高频段主要表现电解电容器的感抗。关于电解电容器的寄生电感，很多电解电容器生产厂商没有给出这个参数。但是，在实际应用中电解电容器的寄生电感将直接影响逆变器的性能。如两只串联的电解电容器的寄生电感为 200nH，在电流变化率为 500A/s 时，将在直流母线上产生 10
12、0V 的感生电势，将增加逆变器的开关损耗和电磁干扰。3.3 对电解电容器性能的修补为了解决电解电容器的 ESR、ESL 对逆变器性能的影响。通常要在直流母线上并接变频器专用缓冲电容器来降低直流母线的阻抗。3.4 电解电容器的主要参数 2345电解电容器的主要参数如表 1。表 1 3300F/400V 变频器用电解电容器的主要参数电解电容器的主要参数在不同温度下的纹波电流倍乘系数如表 2表 2 日立电解电容器的不同温度下的纹波电流倍乘系数通过折算，日立 HCGF5A2G332Y 电解电容器在 85条件下的额定电流为：（1）明显低于 RIFA-EVOX、CDE 电解电容器，也低于 EPCOS 电解
13、电容器。电解电容器的主要参数在不同频率下的纹波电流倍乘系数如表 3表 3 日立电解电容器的不同频率下的纹波电流倍乘系数通过表 1表 3 可以看到 EVOX - RIFA 所给的数据比较完全，其他的需要附加数据（如表 2、表 3）和一些特性曲线补充，EPCOS、CDE 相应的给出如图 1 的寿命与温度、纹波电流的关系曲线、阻抗频率特性以及其它相关特性曲线。这样就基本能比较完整的表述电解电容器的基本特性，相应的日立电解电容器则没有给出完整的数据。4.电解电容器：一种无奈的选择对于变频器而言，选择电极电容器实在是一种无奈。其原因是：数十 m 的单体 ESR 使直流母线的内阻不能非常低，特别是在低温时
14、尤为明显；数十 nH 的单体 ESL 以及连线结构的因素使直流母线的中寄生电感将达到数百 nH，在大的电流变化率下将产生非常高的感生电势，增加了开关期间的开关应力和损耗。因此需要并接专用的直流母线缓冲电容器皆以缓解；最致命的弱点就是寿命明问题。由于制造成本的约束，电解电容器的纹波电流承受能力一般选得非常接近极限，即使在常温条件下，内部温度也会由于纹波电流的作用明显的上升，使电解电容器的常温使用寿命接近高温使用寿命，导致变频器的使用寿命大大降低。在很长的一段时间内，变频器设计工程师主要关注电力半导体器件的进展，长期忽视电力电子领域中的无源器件的革新，当电力半导体器件发展到一定程度，电力电子电路性能将可能受到无源器件的约束，电解电容器就是最鲜明的例子。时至今日无源器件的制造技术引入是日新月异，EPCOS 就推出变频器专用的薄膜电容器，EACO 推出的 SHA 系列直流支撑电容器均可以很好的彻底解决了电解电容器所无法解决的问题。参考文献1 陈永真，李锦电容器手册第一版北京：科学出版社 2008.97527562 http:/ EPCOS Aluminum Electronic Capacitors Data Book 199966714 http:/ CDECapacitor，Data Book20022.0422.047
