隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展, 高壓、大電流電力電子設(shè)備在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛, 而作為設(shè)備核心的IGBT功率半導(dǎo)體組件容量等級(jí)也日趨增大。目前單個(gè)IGBT功率半導(dǎo)體組件容量已達(dá)MW級(jí)別, 這就要求處于直流支撐環(huán)節(jié)的DC-Link電容容量、體積等技術(shù)同步。

對(duì)于變流器, 目前工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的是交直交電壓型設(shè)備, IGBT功率組件擔(dān)任AC/DC、DC/AC或DC/DC變換任務(wù)。為保證變流器的直流電壓穩(wěn)定性, 在直流側(cè)并聯(lián)的DC-Link電容器以吸收高幅值脈動(dòng)電流為目的[1]。

目前薄膜電容在很多行業(yè)以其高耐壓、高安全性能指標(biāo)占領(lǐng)了大部分市場(chǎng), 但在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合, 大容量電解電容仍具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景, 對(duì)其正確的應(yīng)用手段仍不容忽視。

本文從DC-Link電容的串并聯(lián)和結(jié)構(gòu)散熱方式兩方面, 結(jié)合紋波電流對(duì)電容溫升的影響, 從實(shí)際應(yīng)用的角度, 提出一種電解電容的串并聯(lián)及散熱結(jié)構(gòu)方式, 有效地解決了電解電容的發(fā)熱問題, 同時(shí)也提高了其安裝牢固性及拆裝便利性。

電解電容器的正極通常為金屬箔, 電解質(zhì)為其絕緣氧化層, 作為電容器的負(fù)電極。

本文的分析以鋁電解電容器為基礎(chǔ)。相較于沒有極性、絕緣電阻高、介質(zhì)損失小和頻率特性好的薄膜電容來說, 鋁電解電容器具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1) 額定容量大;

(2) 單位體積的電容量大;

(3) 價(jià)格實(shí)惠。

當(dāng)然, 鋁電解電容器也具有一些明顯的缺點(diǎn):

(1) 壽命有限;

(2) 溫度引起的特性變化比較大;

(3) 使用在非正常條件時(shí), 電容內(nèi)壓易上升造成壓力閥動(dòng)作;

(4) 電解液是易燃物。

鋁電解電容器是有極性的電容, 它的正極采用鋁箔, 經(jīng)過陽極氧化處理后, 在其表面生成一層三氧化二鋁薄膜, 形成正、負(fù)極板間。電容器的負(fù)極由電解質(zhì)構(gòu)成, 電解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等組成。為了便于電容器的制造, 通常是把電解質(zhì)溶液浸漬在特殊的紙上, 再用一條原態(tài)鋁箔與浸過電解質(zhì)溶液的紙貼合在一起, 這也方便在原態(tài)鋁箔帶上引出電容的負(fù)極, 如圖1所示。

DC-Link電容是儲(chǔ)能元件, 理想的情況下, 電容自身不會(huì)有能量損失。但實(shí)際上, 因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧洗嬖陔娮? 電容的絕緣介質(zhì)就會(huì)有損耗。該損耗在外部看來像一個(gè)電阻跟電容串聯(lián)在一起, 被稱為“等效串聯(lián)電阻”。DC-Link電容的簡(jiǎn)易等效電路如圖2所示。

因此, 電容的功率損耗為

式中:f—電容兩端紋波電壓頻率;tanδ—介質(zhì)損耗角正切值;U—電容兩端紋波電壓值。

同時(shí),

式中:R_esr—等效串聯(lián)阻抗。

結(jié)合式 (1) 和式 (2) 得到

式中:I_c—電容上的紋波電流。

由式 (3) 可以看到, DC-Link電容損耗跟流過其兩端的紋波電流及電容自身參數(shù)有關(guān)。

需要指出的是電解電容的總溫升實(shí)際是由兩部分組成:一部分是由紋波電流與R_esr產(chǎn)生的損耗引起, 另一部分則是由漏電流損耗引起。但是后一部分損耗相對(duì)較小, 通常忽略不計(jì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3], DC-Link電容紋波電流有效值為

式中:

λ—Δu/U_max;

Δu—直流母線電壓波動(dòng);

U—電容兩端紋波電壓值;

f_s—整流輸出頻率;

t_c、t_f—直流母線電容器充、放電時(shí)間;

I_o.rms—逆變輸出電流額定值;

M—調(diào)制比;

cosφ—功率因數(shù)。

結(jié)合式 (3) 、式 (4) 可知, 電容損耗與紋波電流、R_esr的變化成正比, 與容值、直流電壓波動(dòng)、功率因數(shù)、調(diào)制比、電容內(nèi)部參數(shù)等均相關(guān)[4-5]。

在拓?fù)潆娐穮?shù)已定的情況下 (電容容值、直流電壓波動(dòng)、功率因數(shù)、調(diào)制比等已定) , 與電解電容的選型有很大的關(guān)系, 特別與電解電容R_esr有直接關(guān)系。

因此, 這就要求選擇R_esr更小、承受紋波電流能力更強(qiáng)的鋁電解電容。

合理選擇DC-Link電容時(shí), 在電路總?cè)葜怠⒓y波電流等確定的情況下, 只考慮電解電容器的串并聯(lián)方式、R_esr大小及散熱方式等[6]。

以某工業(yè)變流器為實(shí)例, 其主要參數(shù)為:直流母線電壓1 050 V、DC-Link電容總?cè)葜禐?.8 m F、輸出三相額定電流600 A。考慮到電解電容的經(jīng)濟(jì)性及通用性, 選擇450 V電壓等級(jí), 具體待選型號(hào)參數(shù)如表1所示。

綜合考慮, 以下面2種選型方式為主。

方案1:

額定容值為8 200μF、直徑90 mm的電容, 采用3串2并方式, 總?cè)葜禐?/p>

8.200×2/3≈5.4 m F

總紋波電流承受能力 (有效值)

80.5×2=161 A

根據(jù)式 (3) 、式 (4) , 紋波電流為

I_c≈165 A

則每串電容的紋波電流值為

I_c1≈82.5 A

那么, 單位面積的損耗為

P≈267.8 W/m²

方案2:

額定容值為3 900μF、直徑64 mm的電容, 采用3串4并方式, 總?cè)葜禐?/p>

3.900×4/3=5.2 m F

總紋波電流承受能力 (有效值)

45×4=180 A

則每串電容的紋波電流值為

I_c1≈41.25 A

那么, 單位面積的損耗為

P≈148.7 W/m²

由以上數(shù)據(jù)可知2種方案的總?cè)葜刀紳M足系統(tǒng)需求, 但方案2的總紋波電流承受能力比方案1大12%, 單位面積損耗較方案1小80.1%。

在同一個(gè)體積中, 2種方案的結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

因此, 在結(jié)構(gòu)允許、散熱允許的情況下, 適當(dāng)增加電解電容的并聯(lián)數(shù)量可以提高DC-Link系統(tǒng)的耐紋波電流能力, 降低單位面積損耗, 更加利于分散發(fā)熱源、增加散熱面積。

在確定了電解電容型號(hào)、串并聯(lián)結(jié)構(gòu)、電路拓?fù)鋮?shù)的基礎(chǔ)上, 電容的損耗就基本確定了, 與此同時(shí)電容的發(fā)熱量也就確定了。

根據(jù)圖1, 鋁電解電容的基本結(jié)構(gòu)為箔式卷繞型, 其陽極為金屬鋁箔, 電介質(zhì)是用電化學(xué)方法在陽極金屬箔表面上形成的三氧化二鋁薄膜, 陰極為多孔性電解紙所吸附的工作電解質(zhì) (電解質(zhì)可以是液體或固體) [7]。

電解電容正負(fù)極端子分別從正、負(fù)極箔中引出, 由于電解質(zhì)中通常采用電解液作為電解質(zhì), 而電解液由鋁外殼承裝, 因此電解電容的鋁外殼與負(fù)極端子相連通。鋁外殼底部留出的固定螺柱內(nèi)部凸起與負(fù)極金屬箔緊密連通, 一方面加強(qiáng)金屬箔和電解紙的安裝固定;另一方面, 將金屬箔上的熱量以導(dǎo)熱的形式傳遞到鋁外殼上進(jìn)行散熱, 避免內(nèi)部芯子熱量集中而導(dǎo)致溫升過大。

由于鋁外殼與電極負(fù)端子相通, 為安全起見, 鋁外殼外面通常采用絕緣套管包裹, 且鋁外殼內(nèi)側(cè)壁與金屬箔之間存在5 mm左右的間隙 (保證電解液的流通) 。電解電容主要的發(fā)熱源為中間的芯子部位, 主要的散熱形式有: (1) 通過鋁外殼底部?jī)?nèi)側(cè)凸起與芯子的緊密接觸形成導(dǎo)熱, 通過外殼進(jìn)行散熱。由于鋁外殼外面包裹了絕緣套管, 很大程度上增加了散熱熱阻, 散熱效果不佳。 (2) 通過鋁外殼底部外側(cè)固定螺栓與空氣直接接觸散熱。由于該處螺栓散熱面積有限, 且通常采用絕緣板安裝固定, 與空氣接觸面積大大減小, 散熱效果受到了極大限制。 (3) 由于電解電容正負(fù)極端子是采用鋁箔引線連接到正負(fù)極金屬箔上, 能夠很好地將熱量引出到正負(fù)極端子上, 而正負(fù)極端子與銅材料的復(fù)合母排緊密接觸, 能夠很好地將熱量引出到銅母排上進(jìn)行散熱, 有一定的散熱效果。

下面針對(duì)上述的2種串并聯(lián)方案進(jìn)行具體分析。

方案1:

布局如圖4, 采用常規(guī)的散熱方法, 即強(qiáng)迫風(fēng)冷, 對(duì)電容圓柱外殼進(jìn)行吹風(fēng)散熱。電解電容安裝在四周封閉固定板風(fēng)道中, 側(cè)面安裝2只風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)散熱, 如圖5所示, 風(fēng)機(jī)額定流量1.92 m³/min, 進(jìn)口風(fēng)速約4 m/s。

三相交流輸出電流600 A、直流1 050 V時(shí), 實(shí)測(cè)電容芯子溫度和外殼溫度分別為82.3℃和36.8℃, 參考環(huán)境溫度15.9℃, 芯子溫升和外殼溫升分別為66.4 K和20.9 K。芯子溫升過大, 其溫度已接近電容最大允許溫度, 其壽命難以保證。

該散熱方法主要是通過強(qiáng)迫風(fēng)冷吹電解電容外殼的方法進(jìn)行散熱, 效果不理想。

方案2:

通過對(duì)電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱方式的進(jìn)一步理解, 以及對(duì)該功率單元內(nèi)電解電容的不斷試驗(yàn)測(cè)試, 認(rèn)為方案1的散熱方式很難達(dá)到要求, 為此針對(duì)原有結(jié)構(gòu)布局, 同時(shí)考慮3串4并的電容選型方案, 重新做出優(yōu)化改進(jìn), 如圖6所示。 (1) 采用容值為3 900μF、直徑64mm的電容, 3串4并的布局方式替代方案1。 (2) 電解電容底部固定螺栓處增加導(dǎo)熱性能優(yōu)良的散熱翅片, 并利用其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為安裝固定。 (3) 將電容器穿過擋板, 并以擋板為分界形成左右2個(gè)風(fēng)道。 (4) 風(fēng)機(jī)安裝在功率組件底部進(jìn)行吹風(fēng), 左邊風(fēng)吹散熱翅片和部分電容外殼, 右邊風(fēng)吹電容正負(fù)極端子及其連接的復(fù)合母排。

根據(jù)此布局方式改進(jìn)的樣機(jī), 在同樣的電路參數(shù)下進(jìn)行測(cè)試, 電容芯子最高溫度73.1℃, 外殼溫度49.1℃, 參考環(huán)境溫度30.6℃, 電容芯包溫升為42.5 K, 外殼溫升為18.5 K。

由方案1和方案2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較可知, 方案2比方案1電解電容芯子溫升降低了23.9 K, 散熱效果有明顯的改善。

綜上所述, 對(duì)于電解電容散熱而言, 著重需要注意的是: (1) 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時(shí), 盡量采用抽風(fēng)形式, 且應(yīng)有一定的風(fēng)道長(zhǎng)度便于均勻風(fēng)速。 (2) 電解電容底部固定螺栓能很好地將內(nèi)部熱量導(dǎo)出, 利用合理的散熱設(shè)計(jì)可以很大程度降低電容內(nèi)部溫升。 (3) 電解電容正負(fù)極端子具有導(dǎo)熱效果, 對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)熱及散熱設(shè)計(jì), 可以在一定程度上降低電容溫升。

(1) 電解電容器發(fā)熱是其應(yīng)用過程中不可避免的難點(diǎn), 主要危害是大大降低了電解電容器的運(yùn)行及使用壽命, 從而影響到變流裝置的穩(wěn)定性和可靠性。本文根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用問題, 對(duì)電解電容原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)熱原因和散熱方式進(jìn)行分析, 通過合理正確的選型方法, 提高電解電容的耐紋波能力及發(fā)熱處理能力。

(2) 對(duì)如何有效地解決電解電容發(fā)熱的問題提出了實(shí)際的解決方案, 并通過樣機(jī)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析, 結(jié)合理論分析結(jié)果, 設(shè)計(jì)出一種有效降低電解電容溫升的散熱固定方式, 能很好地保證電容溫升在可控范圍內(nèi), 極大地提高了變流裝置的運(yùn)行可靠性及使用壽命, 對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。