直流支撐電容器（Dc_Link）應(yīng)用更“安全”

更新時(shí)間：2023-04-11

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近十年來(lái)越來(lái)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(lái)越注重于電容器的應(yīng)用“安全"。

新能源汽車(chē)電子行業(yè)，純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器上電容器的應(yīng)用；
新能源行業(yè)，風(fēng)電變流器、光伏逆變器的電容器的應(yīng)用；
節(jié)能行業(yè)，高壓變頻器等電容器的應(yīng)用；
電源行業(yè)，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源等電容器的應(yīng)用；
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(yīng)用；
機(jī)車(chē)行業(yè)，輕軌、高鐵、地鐵、有軌電車(chē)等電容器的應(yīng)用；

而在這些個(gè)行業(yè)有序替代的應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)，直流支撐使用需求替代又似乎是必然！！

直流支撐電容器稱(chēng)為Dc-Link電容器，被安裝或焊接在直流母線上，又稱(chēng)為母線電容器。

圖1 直流支撐電容器在光伏并網(wǎng)逆變器中應(yīng)用

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

圖2 直流支撐電容器在SVG中應(yīng)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(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)（約10萬(wàn)小時(shí)）、安全防爆穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，被用戶認(rèn)可接受。

圖3 直流支撐電容器在汽車(chē)電子中應(yīng)用

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

（一）直流支撐電容的作用

直流支撐電容因沒(méi)有極性，能夠承受反向電壓；
更低的ESR，具有紋波電流的耐受能力；
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(yīng)速度要求高的場(chǎng)合；
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(kāi)關(guān)的時(shí)候仍比較平
降低IGBT端到動(dòng)力供電端的電感參數(shù)，削弱母線的尖峰電壓；
吸收直流母線端的高脈沖電流；
防止母線端電壓的過(guò)充和瞬時(shí)電壓對(duì)電路的影響等等

（二）直流支撐電容在復(fù)雜工況下的風(fēng)險(xiǎn)

直流支撐電容器在用戶端復(fù)雜使用工況下的早期失效，是一種風(fēng)險(xiǎn)，或者嚴(yán)重的說(shuō)是一種“事故"。風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于電容器產(chǎn)品研發(fā)、制造商缺乏摸底試驗(yàn)，未深入的了解行業(yè)用戶的實(shí)際使用工況而造成的。

電容器的早期失效無(wú)非是電壓擊穿、熱擊穿兩個(gè)最主要的因數(shù)導(dǎo)致！

如何導(dǎo)致電容器電壓擊穿，主要與電容器的基膜選型、整體設(shè)計(jì)、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(jì)相關(guān)聯(lián)，另一方面，與用戶的整機(jī)使用工況密切相關(guān)。

我們首先探討導(dǎo)致電容器的熱擊穿噪聲（干擾）的來(lái)源：

（三）噪聲（干擾）的來(lái)源

噪聲干擾大致來(lái)自于以下3個(gè)方面：

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(lèi)：共模干擾和差模干擾。共模干擾被定義為任何載流導(dǎo)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(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。
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(dòng)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(huì)疊加在直流支撐電容器上，加劇電容器的發(fā)熱；
IGBT逆變橋上的工作頻率直接關(guān)系到電磁干擾的強(qiáng)度，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，諧波電壓和電流的切換速度加快，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。這些高次諧波會(huì)疊加在直流支撐電容器上，加劇電容器的發(fā)熱

（四）溫度對(duì)電容器的影響

一般情況下，電容器的標(biāo)稱(chēng)上會(huì)注明容量、耐壓值、允許工作的溫度、容量的±偏差。溫度對(duì)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(gè)非常重要的指標(biāo)，是衡量電容器品質(zhì)的重要標(biāo)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(gè)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(dǎo)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(chēng)之為溫度系數(shù)，當(dāng)溫升升高10℃時(shí)，電容器的壽命會(huì)降低一半。以壽命30000小時(shí)、標(biāo)稱(chēng)105℃的電容器，在20~40℃時(shí)，可以工作30000小時(shí)，而在105℃時(shí)，壽命會(huì)縮短到3000小時(shí)以下。

復(fù)雜工況使用中，直流支撐電容器怎么樣更“安全"呢？

答案永遠(yuǎn)是產(chǎn)品的品質(zhì)。

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(gòu)、生產(chǎn)工藝流程的改進(jìn)、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(cè)試，是電容器在整套流程中把關(guān)的守門(mén)大員，也是流程中最*工序，更是被列入《電力電子電容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》的“質(zhì)量要求與試驗(yàn)"必須要完成的型式試驗(yàn)。

怎么樣做好電容器產(chǎn)品出廠前的型式試驗(yàn)？如何有效的提升產(chǎn)品品質(zhì)？

進(jìn)一步的甄別產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不足，改善工藝流程的缺陷，把電容器早期失效的風(fēng)險(xiǎn)降到比較低，為終端用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案！

（五）試驗(yàn)的方法與目的

諸多電容器生產(chǎn)企業(yè)在電氣測(cè)試時(shí)，會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)要求中的1.25Un或者1.35Un試驗(yàn)要求做型式試驗(yàn)，往往忽略了電容器在實(shí)際使用復(fù)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。

圖4 直流支撐電容器在SVG中應(yīng)用

我們?cè)趫D4 SVG電力電子無(wú)功補(bǔ)償電路拓?fù)渲锌梢钥吹剑诵腎GBT模塊的工作高頻開(kāi)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(huì)直接疊加在上面。

工作在高次諧波電壓、電流復(fù)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(gè)發(fā)熱源，極大的影響到電容器的品質(zhì)！當(dāng)溫升至金屬化薄膜、基膜極*，電容器會(huì)熱擊穿故障。

所以，電容器的復(fù)雜工況下摸底試驗(yàn)，包括耐久性試驗(yàn)、熱穩(wěn)定性試驗(yàn)、復(fù)雜工況下等電氣測(cè)試，成為生產(chǎn)工藝流程不可少的重要環(huán)節(jié)。

轉(zhuǎn)自美生高電子公眾號(hào) 2022-07-07發(fā)表的《讓電容器應(yīng)用更“安全"---直流支撐電容器耐久性測(cè)試解決方案》