車用DC-Link電容器的選擇和主要電參數(shù)估算

廈門法拉電子股份有限公司 陳淵偉

車用DC-Link電容器的選擇和主要電參數(shù)估算

廈門法拉電子股份有限公司 陳淵偉

本文通過分析車用DC-Link電容器的使用條件和對比不同電容器的特點，解釋了車用DC-Link應(yīng)用場合最終選擇薄膜電容器的原因。并通過理論分析介紹了薄膜電容器的主要電參數(shù)的選擇和估算。

電動車和混合動力汽車（EV & HEV）；DC-Link；薄膜電容器（Film Capacitor）；容量（Capacitance）；紋波電流（Ripple current）

1　前言

我國《汽車規(guī)劃意見》時指出：汽車行業(yè)十三五的發(fā)展目標(biāo)，有九個方面，其中新能源汽車要形成規(guī)模，純電動汽車插電式混合動力要達(dá)到年產(chǎn)200萬輛規(guī)模，到2020年累計產(chǎn)銷量達(dá)到500萬輛。面對巨大的市場前景，國內(nèi)外整車廠紛紛投入人力物力發(fā)展電動和混合動力汽車。電力驅(qū)動器作為電動汽車和混合動力汽車的核心動力器件，其地位相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機(jī)。掌握了最尖端的電力驅(qū)動技術(shù)，才能在電動汽車和混合動力汽車領(lǐng)域立于不敗之地。

經(jīng)過幾年的發(fā)展，我國車用控制器技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，功率密度普遍達(dá)到10.0kVA/kg以上。但日本廠家最高的功率密度可達(dá)到17.0kVA/kg。差距仍然不小，所以國內(nèi)的控制器廠家開始關(guān)注控制器內(nèi)電子元器件的使用特點和發(fā)展趨勢，力圖通過更換控制器內(nèi)部電子元器件或提高電子元器件的使用效率來降低各個器件的體積，從而達(dá)到提高功率密度的目的。車用控制器內(nèi)最主要的電子元器件是IGBT和DC-Link電容器。

本文詳細(xì)介紹了車用DC-Link應(yīng)用場合為什么選擇薄膜電容器的原因，并提供了一些主要電參數(shù)的理論估算方法。希望能通過這些描述幫忙控制器廠家更加了解車用DC-Link薄膜電容器，從而選擇更合適的電容器。

2　車用DC-Link電容器的作用分析

車用DC-Link電容器的主要作用有兩個：一是平滑母線電壓，使得母線電壓在IGBT開關(guān)的作用下仍較為平滑；二是降低IGBT端到電池端的線路電感，降低母線上的尖峰電壓。

1）平滑母線電壓

圖1

對于平滑母線電壓的工作原理，我們可以通過圖1的典型電路圖做下簡要的分析。圖1的電路在沒有電容器C1的情況下，IGBT 工作時導(dǎo)致電路負(fù)載發(fā)生變化，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，母線上會產(chǎn)生電流i。如果沒有電容器，電流全部流經(jīng)電池組，i=i1。此時，電池組內(nèi)阻r（一般在0.1歐以上）產(chǎn)生電壓Ur=i×r，并隨電流變化，導(dǎo)致母線電壓的變化，就是我們說的紋波電壓。假設(shè)沒有電容器的電壓波形如圖2所示：

圖2　不含DC-Link電容器的電壓波動示例

圖3　含DC-Link電容器的電壓波動示例

當(dāng)電路中有濾波電容器時，電容器兩端的阻抗Z=ESR+1/（2πf C）遠(yuǎn)小于電池內(nèi)阻r，正常情況下會小一個數(shù)量級。母線上的電流i分成兩路電流i1+ i2，且由于電容器阻抗小，i2遠(yuǎn)大于 i1。所以內(nèi)阻r兩端電壓變化大大減小，母線上電壓波動大大減小。電容器濾走了大部分電流，此時，母線端電壓波形圖可能會如圖3所示，變得更加平滑。

波形中的上升部分，IGBT開關(guān)關(guān)斷的時候，電容的能量變化主要表現(xiàn)為電池組對電容充電，電容吸收功率。

波形中的下降部分，IGBT開關(guān)導(dǎo)通的時候，電容的能量變化主要表現(xiàn)為電容對負(fù)載（電機(jī)系統(tǒng)）放電，即為負(fù)載提供功率。

這里要說明一下，上圖的波形不是實際使用中母線的真正波形，本文采用效果類似而相對簡潔的波形來解釋電容器的作用。

2）降低線路電感

對于降低線路電感的工作原理，我們?nèi)匀挥脠D1的典型電路圖做下簡要的分析。

如果沒有電容器C1的情況下，IGBT到電池端的線路電感在IGBT開關(guān)的時候會在母線上產(chǎn)生尖峰電壓。該段電路的電感一般都為幾百nH甚至uH以上，而IGBT關(guān)斷時的di/dt普遍都在5A/ns以上，根據(jù)U=L*di/dt的理論公式計算。母線上的尖峰電壓會達(dá)到千伏以上的級別，IGBT很容易就被擊穿掉。

電路中接入電容器C1以后，，IGBT到電池端的線路電感被分割成兩部分，IGBT到電容器C1的部分電感L1和電容器C1到電池端的部分電感L2。由于有電容器的阻隔，IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的di/dt基本反饋在L1的部分，L2部分的di/dt可以忽略不計。所以，母線的尖峰電壓U=L1*di/dt。如果C1采用薄膜電容器，正常情況下，線路的電感L1可以控制到30nH以內(nèi)，大大降低了母線上的尖峰電壓。

通過對車用DC-Link電容器的作用分析，我們可以得出車用DC-Link電容器需要同時具備以下的特點：1）電容器的耐電壓能力需高于電池電壓，現(xiàn)有控制器的電池最高電壓一般在400V左右，加上紋波電壓和尖峰電壓，電容器的最高耐壓一般要達(dá)到600V以上。2）電容器的持續(xù)耐高頻紋波電流能力要達(dá)到150A以上。這就要求電容器的損耗低，ESR低，發(fā)熱量小。3）電容器的自感要盡量小，以減小母線上的尖峰電壓。

3　各種電容器的特點簡介

1）陶瓷電容器

陶瓷電容器具有耐熱性能好，絕緣性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉等優(yōu)點，所以一些混合動力車用控制器廠家考慮到高溫的應(yīng)用場合，提出過是否可以用陶瓷電容器作為DC-Link電容器。陶瓷電容按頻率特性分有高頻瓷介電容器（1類瓷）和低頻瓷介電容器（2類瓷）；現(xiàn)分述如下：

a.高頻瓷介電容器（亦稱1類瓷介電容器）

該類瓷介電容器的損耗在很寬的范圍內(nèi)隨頻率的變化很小，并且高頻損耗值很小，（tanδ≤0.15%，f=1MHz），最高使用頻率可達(dá)1000MHz以上。同時該類瓷介電容器溫度特性優(yōu)良，適用于高頻諧振、濾波和溫度補(bǔ)償?shù)葘θ萘亢头€(wěn)定度要求較高的電路。但由于該類陶瓷材料的介電常數(shù)較小，其容量值難以做高，因此當(dāng)需要更高容量值的電容器時只能在2類磁介質(zhì)電容器中尋找。

b.低頻瓷介電容器（亦稱2類瓷介電容器）

該類瓷介電容的陶瓷材料介電常數(shù)較大，因而制成的電容器體積小，容量范圍寬，但頻率特性和溫度特性較差，因此只適合于對容量、損耗和溫度特性要求不高的低頻電路做旁路、耦合、濾波等電路使用。

通過對陶瓷電容器的總結(jié)和了解，不難發(fā)現(xiàn)陶瓷電容器不適合用于車用DC-Link應(yīng)用場合，頻率特性好的容量做不大，容量能做大的頻率特性差，無法滿足車用高頻紋波的濾波要求。所以，以下我們重點分析電解電容器和薄膜電容器的特點。

2）薄膜電容器和電解電容器

最早的車用控制器使用的DC-Link電容器是電解電容器，后來才逐漸替換成薄膜電容器，最典型的案例就是豐田的PriusⅠ和PriusⅡ。

PriusⅠ使用的濾波電容器是電解電容器；PriusⅡ便開始使用薄膜濾波電容器組。如下圖：

圖4　PriusⅠ使用電解電容器

圖5　PriusⅡ用的薄膜電容器

電解電容器具有容積比大，價格低等優(yōu)點，但是為什么在車用DC-Link的應(yīng)用場合會被薄膜電容器替換掉，我們可以通過對比這兩種電容器的特點來解釋這個原因:

a.電解電容器的優(yōu)點是容積比比薄膜電容器大

在電壓500V以下，同體積的電解電容器容量比薄膜電容器大很多，所以在頻率較低的濾波場合，電解電容器由于容抗較小，濾波性能要比薄膜電容器優(yōu)越。但是在高頻應(yīng)用場合，如車用DCLink的應(yīng)用場合，紋波頻率經(jīng)常達(dá)到20KHz。由于濾波電路的阻抗等于容抗加上電容器的ESR，同體積的電解電容器的ESR相對于薄膜電容器一般要高出一個數(shù)量級。所以整體的濾波效果與薄膜電容器已經(jīng)相差不多，不足以體現(xiàn)其優(yōu)勢。

b.薄膜電容器具有比電解電容器更加良好的溫度和頻率特性

聚丙烯薄膜介質(zhì)為非極性材料，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗在1MHz以下幾乎是不變的。薄膜電容器的容量和等效串聯(lián)電阻在-40℃～105℃的溫度范圍內(nèi)變化范圍分別在±3%和±30%以內(nèi)。

鋁電解電容器如圖6所示。

圖6　鋁電解電容器容量隨溫度

圖7

及頻率的變化曲線（典型值）

電解電容器低溫下容量急劇下降的特點影響了它在低溫環(huán)境下的應(yīng)用，因此在高海拔和低緯度地區(qū)使用電解電容器進(jìn)行濾波，就需要特別的設(shè)計。

c.薄膜電容器沒有極性，能承受反向電壓，而鋁電解電容器不具備這個特點

如果超過1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時，會引起電容內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。如果這種電壓持續(xù)足夠長的時間，電容會發(fā)生爆炸，或者隨著電容內(nèi)部壓力的釋放電解液會流出。為了避免這種危險， 使用者必須給每個電容并聯(lián)一個二極管。而薄膜電容器沒有極性，可以任意極連接。

d.薄膜電容器的額定電壓高，不需要串聯(lián)和平衡電阻

為了提高輸出功率，混合動力汽車和燃料電池汽車的母線電壓有不斷提高的趨勢?，F(xiàn)在已普遍達(dá)到在容量0.5mF和1.5mF基礎(chǔ)上加650VDC的水平。而電解電容器的額定電壓基本都不高于550V，所以當(dāng)母線電壓高于550V時，系統(tǒng)只能通過串聯(lián)電解電容器來提高電容器組的耐壓水平。這樣，不僅增加了電容器組的體積、成本，也增加了電路中的電感和ESR。

e.薄膜電容器采用干式設(shè)計，沒有電解液泄露的問題，沒有酸污染。

f.薄膜電容器具有比鋁電解電容器更低的ESR，通過耐紋波電流能力強(qiáng)，大于200mA/μF，電解電容通過紋波電流能力為20 mA/ μF。這個特點能大大減小系統(tǒng)中所需要的電容器的容量。

g.薄膜電容器的抗脈沖電壓能力強(qiáng)，大于1.5Un；電解電容器的抗脈沖電壓＜1.2 Un。在特定應(yīng)用中電容的抗浪涌能力也是考察電容的重要指標(biāo)。實際上，對電解電容而言，允許承受的最大浪涌電壓是1.2倍。這種情況迫使使用者不得不考慮浪涌電壓而非標(biāo)稱電壓。

h.薄膜電容器采用無感式設(shè)計，自感ESL比鋁電解低

DC-Link薄膜電容器通過把母線整合到電容器模塊里，使它的自感降到最低（可小于10nH），大大減小了在必要開關(guān)頻率下的震蕩效應(yīng)。因此，并聯(lián)在DC-Link電容器上昂貴的吸收電容經(jīng)常被省略掉。

i.薄膜使用壽命長，可滿足車輛15年或30萬公里的壽命要求， 而鋁電解電容器的使用壽命一般為5年。

j.薄膜電容器形狀設(shè)計靈活，可根據(jù)客戶需求定做。而電解電容器一般為圓形的設(shè)計尺寸，無法充分利用車用控制器內(nèi)部的空間。

4　車用DC-Link薄膜電容器主要參數(shù)估算

1）電容器組電壓的選擇

車用控制器的母線電壓除了正常的紋波電壓波動，還包括IGBT開關(guān)和閉合時由于電流激烈變化產(chǎn)生尖峰電壓和電機(jī)反轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反向電壓。早期的車用直流母線電容器主要采用電解電容器，電解電容器要求使用過程中不能有超過1.2倍額定電壓的脈沖值，所以很多控制器廠家在選擇直流母線電容器的時候往往選擇額定電壓比母線尖峰電壓高的電容器。但是膜電容器在使用中允許有超過1.2倍額定電壓值的脈沖，所以理論上可以選擇額定電壓較低的膜電容器。根據(jù)目前市場上的主要應(yīng)用信息，總結(jié)如下：

280V左右的電池組一般選擇額定電壓為450V的膜電容器；

300V～350V的電池組一般選擇額定電壓為450V或500V的膜電容器；

350V～400V的電池組一般選擇額定電壓為500V、550V或600V的膜電容器；

450V～550V的電池組一般選擇額定電壓為700V、750V或800V的膜電容器；

550V～650V的電池組一般選擇額定電壓為850V或900V的膜電容器。

2）電容器組容量的計算

車用控制器應(yīng)用中，直流母線電容器是以IGBT的載波頻率來完成充放電的。在一個PWM周期內(nèi)，IGBT導(dǎo)通時由電池組和電容器同時為電機(jī)提供能量。開關(guān)關(guān)斷時，電池組向直流母線電容器充電。假設(shè)在IGBT導(dǎo)通的時候電機(jī)的負(fù)載為Z，那么這時電池組放電回路阻抗為r+Z（不考慮此時電池組對電容器充電的回路），電容器的放電回路阻抗為ESR+Z。由于ESR遠(yuǎn)小于r，所以電容器為電機(jī)提供的功率不小于電池組為電機(jī)提供的功率值。在極端的情況下，當(dāng)Z也遠(yuǎn)小于電池組內(nèi)阻r時，IGBT閉合的時候的輸出功率幾乎全部由電容器提供。這種情況下，所需要的電容器容量最大，我們可以通過公式來計算這種情況下所需要的容量大小。

假設(shè)控制器輸出的最大功率為P，電路為典型的三相全橋拓?fù)湓O(shè)計，我們可以認(rèn)為在一個開關(guān)周期內(nèi)，母線所提供的能量約為（見圖7）：

f: IGBT開關(guān)頻率。

電容器一個開關(guān)周期內(nèi)釋放的能量為：

U: 直流母線電壓； △u：母線紋波電壓。

極端情況下：Q=W；進(jìn)一步計算可得：

從市場上了解到，大部分廠家要求直流母線電壓的脈動率為5%，即紋波電壓值：△u= U×2.5%。

結(jié)合（3）式可得：

上述計算是建立在最極端的情況下，實際應(yīng)用中一般認(rèn)為IGBT開關(guān)導(dǎo)通的時候，母線電容器提供W/2的能量，即有：Q=W/2;

舉例：現(xiàn)有車用控制器額定功率40KW，峰值功率80KW，開關(guān)頻率10KHz，電池電壓336V，要求工作時母線電壓脈動率不超過5%，求所需直流母線電容器的容量。

將這些條件代入公式（4）和（5）可得：Cmax=709uF; Cmin=304.5uF;

所以該案例在極端情況下僅需要304.5 uF的電容量，最大電容量需求不超過709 uF。目前，主流控制器廠家的使用容量大約為最大和最小容量的中間值。

3）紋波電流的計算

紋波電流是指流經(jīng)直流母線電容器的交流電流。三相變頻器的輸出電流為三相正弦基波電流與高頻諧波電流的疊加，二者均會在直流母線側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)的紋波電流。

圖8

由圖8可知，直流母線電容器的紋波電流矢量表達(dá)式： Id= Ib+ Ic。其中Ib為電池組輸出的直流電流，Id為逆變單元的輸入電流，包含直流和交流分量，Id= Id-dc+ Id-ac。由于電池組輸出的直流電流直接供給了橋臂，可認(rèn)為Id-dc= Ib。即：

因為Ib為直流電流，可得矢量式：Ic=Id-ac= Id-Id-dc。

根據(jù)文獻(xiàn)《Analytical calculation of the RMS current stress on the DC-link capacitor of voltage PWM converter systems》 J.W.Kolar and S.D. Round. 可得：

結(jié)合（7）和（8）式最終推導(dǎo)得：

公式中：Id為母線上總電流有效值；Ic為流過直流母線電容器的紋波電流；m為調(diào)制比；

Ip，rms為逆變器輸出的相電流有效值；φ為相移角。

當(dāng)φ=0，m≈0.613時，可得到直流母線電容器紋波電流的最大有效值：

通過上述分析可以得出，車用控制器的直流母線電容器紋波電流大小正常來說不會大于0.65倍的相電流有效值。

舉例：

某控制器額定功率40KW，峰值功率80KW，開關(guān)頻率10KHz，電池電壓336V，持續(xù)相電流200A，峰值相電流300A，持續(xù)時間不超過20s。

已知相電流，可以得出持續(xù)的紋波電流大小一般不大于0.65× 200A=130A。

5　總結(jié)

車用DC-Link電容器采用薄膜電容器已經(jīng)成為不可改變的事實。由于薄膜電容器幾乎是控制器內(nèi)最大的電子元器件，所以控制器廠家已經(jīng)著手在研究電容器的主要電參數(shù)，以選取體積和重量最小但電性能能滿足要求的薄膜電容器為目標(biāo)，從而逐步提高控制器的功率密度水平和降低控制器成本。

［1］《Analytical calculation of the RMS current stress on the DC-link capacitor of voltage PWM converter systems》J.W.Kolar and S.D. Round.

［2］常東來.變頻器中直流母線電容的紋波電流計算［J］.變頻器世界，2010.

陳淵偉（1983—），男，福建龍海人，學(xué)士，現(xiàn)供職于廈門法拉電子股份公司，工程師，研究方向：DC-Link薄膜電容器的研發(fā)。