電解電容在變頻器中的應用與變頻器中整流濾波電解電容器的作用，更多電容方案請咨詢上海工品實業有限公司，電解電容，薄膜電容，高溫電容，高壓電容等。

摘要：針對用于變頻器中的大型鋁電解電容器的技術特點，重點分析了影響此類電容器耐紋波電流能力的因素。通過選用合適的原材料、設計零部件等，使得該型號產品的性能參數完全達到了其技術指標，并能滿足用戶的需求。
關鍵詞：變頻器；鋁電解電容器；紋波電流

1引言
變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。隨著電力電子器件的發展，變頻技術也在不斷發展。從20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應用。目前，變頻器已廣泛地應用在電力、能源、冶金、礦山和石化等行業的大功率風機、水泵等設備中。變頻器的變頻調速功能，不僅創造了明顯的直接經濟效益，而且也能帶來更大的宏觀經濟效益和社會效益。
低壓通用變頻器，其主電路控制方式一般采用VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻和矩陣式交－交控制變頻等。除采用矩陣式交交控制方式的變頻器外，另三種控制方式的變頻器其電路結構均為交直交變頻。其共同點是輸入功率因數低、諧波電流大，直流電路均需要大的儲能電容。而矩陣式交交變頻雖省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容器。但該技術目前尚未成熟，不能推廣應用。因此在目前實用的變頻器中，均需使用大型鋁電解電容器來平滑變頻電路的輸入電壓。
2變頻器對大型鋁電解電容器的技術要求
變頻器的簡單工作原理圖如圖1所示。

圖1中示出，有兩處需用鋁電解電容器，該種大型鋁電解電容器是用于平滑濾波的，對其主要技術要求如下：
1)耐大紋波電流；
2)體積小，是一般電解電容器的2/3～3/4；
3)高壓、大容量、即高CV值；
4)長壽命；
5)高可靠性和安全性。
江西信達電子公司研制成功的CDC03型螺釘結構大型鋁電解電容器就具備上述特點，該產品的主要性能指標詳見表1和表2所列，外形圖如圖2所示，外形尺寸如表3所列。

3影響大型鋁電解電容器耐紋波電流能力的因素
通常情況下紋波電流I_r為

式中：α為散熱系數；
Δt為電容芯包溫度與環境溫度差（溫升）；
A為電容外表面積。

從式（1）中可知，紋波電流I_r與正比。散熱系數α，它包括幅射散熱和對流散熱，它不僅與產品表面的溫度差、直徑大小、直立或橫臥有關，而且與芯包結構、電容器內的導熱情況、熱流方向、芯包固定方式等密切相關。
由鋁電解電容器等效電路可知
tanδ=ωCR(2)
式中：R為等效串聯電阻，它由三部分所組成，即
R=R₁＋R₂＋R₃（3）
式中：R₁是氧化膜介質損耗所代表的等效串聯電阻；
R₃是極板、導電層的歐姆電阻以及其間的接觸電阻；
R₂是電解質所代表的等效串聯電阻，即
R₂=φ·ρ·d/2s(4)
式中：φ為電解紙的滲透系數；
ρ為工作電解液的電阻率（Ω·cm)；
d為電解紙的厚度（cm）；
s為陽極箔的外觀幾何尺寸（cm²）。
由以上分析可知，選用氧化膜介質損耗小的鋁箔，選擇滲透系數小、厚度薄的電解紙，降低工作電解液的電阻率和粘度，改進產品結構等都可明顯降低產品的tanδ。通過降低tanδ，增大產品的散熱系數，都可提高產品耐紋波電流的能力，從而保證產品達到壽命長等要求。
4原材料的選用
4.1工作電解液的研制
為滿足大紋波電流、長壽命、高可靠性等要求，研制了電阻率低、閃火電壓高、形成能力強、高溫性能穩定的新型高性能工作電解液。
4.2陽極箔和電解紙的選擇
CDC03型產品選用了化成電壓較高、氧化膜質量穩定、比容恰當的進口化成箔；選用了從NKK公司進口的高密度、薄型、耐電壓高的綜合性能優良的電解紙。

5芯包結構和零部件的設計
5.1芯包結構的設計
將陽極箔均勻分段，采用多對引線條引出和特殊芯包結構，明顯地減小了極板的等效串聯電阻，降低了產品的tanδ，從而提高了產品耐紋波電流的能力。
5.2零部件的設計
設計了新型蓋板和鋁外殼。此新型蓋板使用了性能更優的聚苯硫醚工程塑料作為主體材料，并采用了復合結構的引出螺母，設計了防爆性能更優、可靠性高、一致性好的防爆閥。
6硬件的保障
為了保證產品具有高的可靠性、安全性及實現特殊芯包結構，信達公司斥巨資引進了大型全自動鉚卷機和鋁殼封口機，設計制造了特殊的老化和老化篩選設備。
7關鍵工藝的研究、控制和保證
在鋁箔分切時，對切割毛刺和鋁箔粉塵進行了加嚴控制。研制了新型鉚裝工藝，制作了專用鉚裝模具。研究出了特殊的老化及老化篩選工藝。
8產品試驗情況和用戶使用情況
根據以上分析，選擇合適的陽極箔和電解紙，浸漬新型的工作電解液，使用新設計的零部件，采用特殊的制造工藝生產的CDC03型400V10000μFφ90×157產品，其試驗情況詳見表4。
9建議
1）目前我國鋁電解電容器的技術質量水平已經發生了質的飛躍，對于變頻器用大型鋁電解電容器，無論從質量上還是價格上乃至售后服務，已經和國外同類產品難分伯仲，完全可以替代進口產品。
2）在變頻器設計時，建議適當考慮可靠性與冗余設計的問題，避免此類電解電容器出現早期失效。

變頻器中整流濾波電解電容器的作用

電解電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，一般以為：電解電容器的最主要的參數是額定電壓、電容量，通常采用電解電容器作為整流濾波電容器，這種思想是受常規電子技術的單相整流電路的影響。在三相整流電路中，每個電源周期共有6個波頭，如采用電容器濾波，則每個波頭僅1/3的時間是整流器導通向輸出供電，剩下的2/3的時間，輸出功率就只能靠電容器提供，這個時間約為電源周期的1/9，即2.22mS。以輸出功率為30kW的變頻器，濾波電容器通常采用3300μF/400V電解電容器兩串兩并。在這種負載條件下的整流輸出的均勻值電流約為50A。在整流器不工作的2.2mS的時間內，濾波電容器由于放電造成的電壓下降為33~35V，是600V整流輸出均勻電壓的0.055，如考慮電解電容器的等效串聯電阻約為68mΩ，50A紋波電流下的ESR電壓降將達到3.5V，這時的紋波電壓幅值將超過6%，約為沒有電容器濾波時的一半，表明整流輸出濾波電容器實際上不是用來濾波的，而是用來吸收來自整流器和逆變器的紋波電流。

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變頻器主流母線中的紋波電流的產生主要有兩個方面：工頻整流濾波的紋 波電流，舉例來說對于3相380V直接整流來說，每千瓦輸出大約需要濾波電容器流過6A以上的紋波電流，對于一個30千瓦的變頻器，濾波電容器需要濾掉90A甚至更高的紋波電流，當然這個紋波電流可與通過在整流器與濾波電容器之間接一個電抗器來大大減小。但是產生紋波電流的另一個源（逆變器產生的紋波電流）卻盡對不能采用串進電抗器解決；產生紋波電流的另一個原因就是逆變器工作時產生的輸出頻率下的紋波電流和開關頻率下的紋波電流，逆變器輸出頻率的紋波電流以逆變器驅動感應電動機為例，要產生很高幅值的開關頻率下的紋波電流，第二種紋波電流是所有變頻器/逆變器無法自身消除掉的，只能利用濾波電容器來吸收，如變頻器驅動30kW的感應電機時，變頻器的直流母線上至少要產生60A的紋波電流！這個濾波電流將在濾波電容器的ESR中產生明顯的功率損耗。由于本錢的限制，直到現在，沒有一個變頻器生產廠家將濾波用鋁電解電容器的紋波電流限制在電解電容器的額定紋波電流以下，因此對于需要較長的應用壽命應用領域下的變頻器/逆變器采用電解電容器作為濾波電容器將不得不定期更換濾波電容器，而在不能定期更換濾波電容器的場合下，只能是定期的報廢變頻器/逆變器，這樣既不利于確保可靠性也不利于低本錢使用。

那么變頻器的直流母線上是否可以沒有濾波電容器？結論是盡對不可以的。在逆變器的開關管開關過程中，可以產生400A/μs甚至更高的電流變化，在1μH的電感上將產生400V的感生電勢，因此，需要用濾波電容器進一步減小主流母線的寄生電感。為了降低逆變器直流母線的寄生電感所引起的阻抗，需要降低逆變器直流母線的阻抗，最簡單的辦法就是在直流母線上并接低ESR同時也是低ESL的電容器，即通常電子市場上經常說的突波吸收電容器。

從上面分析可以看到：整流濾波電容器的作用實際上更傾向于吸收逆變器產生的紋波電流，抑制逆變器中的開關管的開關過程而產生的過沖電壓。降低直流母線阻抗。

電解電容器的紋波電流與壽命的關系

變頻器/逆變器濾波與平滑一般是采用電解電容器，對于三相380V輸進的整流電路，通常采用兩只額定電壓400V或450V的電解電容器串聯應用。

例如一個輸出功率為30kW的變頻器，整流濾波電容器可以采用四只3300μF/400V電解電容器兩串兩并實現。以通常以為性能很好的日立變頻器用HCGF5A的電解電容器為例：40℃時的額定紋波電流為22.2A，而在85℃按日立公司的折算方法，對應額定紋波電流將降低到8.2A，兩只并聯也不過是1*A。不僅如此，壽命也僅能在85℃溫度下保證2000小時。而整流器的紋波電流就是接近60A！，加上逆變器的60A紋波電流，電解電容器間處于什么狀態？這兩個紋波電流即使按均方根值計算也將達到85A以上，是40℃下的額定電流的近4倍！這時的濾波電容器的壽命將會怎樣呢？

　　圖1 變頻器用濾波電解電容器的壽命與環境溫度、紋波電流的關系 （日立電解電容器的數據表中沒有給出這樣的曲線）。

從圖中可以看到，大型電解電容器即使在環境溫度為40℃是的極限電流有效值也不會超過額定電流值的3倍，并且壽命僅僅達到了最高工作溫度的壽命值。假如真得在這種條件下工作，變頻器能保證的壽命僅僅是3個月。假如電解電容器的環境溫度進一步升高，壽命還將進一步縮短。

影響變頻器性能的電解電容器特性

a.電解電容器的ESR

在變頻器中，所有的紋波電流流過電解電容器，這個紋波電流在電解電容器的ESR產生功耗并編成焦耳熱。以30kW變頻器為例，并聯在直流母線的電解電容器總的ESR約為60~90mΩ，紋波電流越位80~90A，在兩并兩串的電解電容器上將產生40~70W的功耗，每個電解電容器所產生的損耗約為10~20W。對于散熱性能很差的電解電容器，這將產生比較高的溫升，進一步縮短了電解電容器的壽命。

b.電解電容器的阻抗頻率特性

電解電容器的阻抗頻率特性的高頻段主要表現電解電容器的感抗。關于電解電容器的寄生電感，很多電解電容器生產廠商沒有給出這個參數。但是，在實際應用中電解電容器的寄生電感將直接影響逆變器的性能。如兩只串聯的電解電容器的寄生電感為200nH，在電流變化率為500A/μs時，將在直流母線上產生100V的感生電勢，將增加逆變器的開關損耗和電磁干擾。

c.對電解電容器性能的修補

為了解決電解電容器的ESR、ESL對逆變器性能的影響。通常要在直流母線上并接變頻器專用緩沖電容器來降低直流母線的阻抗。

d.電解電容器的主要參數

電解電容器的主要參數如表1。

　　電解電容器的主要參數在不同溫度下的紋波電流倍乘系數如表2

　　通過折算，日立HCGF5A2G332Y電解電容器在85℃條件下的額定電流為：

22.4 x 0.37 = 8.214(A)

明顯低于RIFA-EVOX、CDE電解電容器，也低于EPCOS電解電容器。

電解電容器的主要參數在不同頻率下的紋波電流倍乘系數如表3

　　通過表1~表3可以看到EVOX – RIFA所給的數據比較完全，其他的需要附加數據（如表2、表3）和一些特性曲線補充，EPCOS、CDE相應的給出如圖1的壽命與溫度、紋波電流的關系曲線、阻抗頻率特性以及其它相關特性曲線。這樣就基本能比較完整的表述電解電容器的基本特性，相應的日立電解電容器則沒有給出完整的數據。

電解電容器：一種無奈的選擇

在很長的一段時間內，變頻器設計工程師主要關注電力半導體器件的進展，長期忽視電力電子領域中的無源器件的革新，當電力半導體器件發展到一定程度，電力電子電路性能將可能受到無源器件的約束，電解電容器就是最鮮明的例子。

作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器，其最主要的參數是額定電壓、電容量，通常采用電解電容器作為整流濾波電容器。但是電解電容器最大的缺點就是使用壽命題目，特別是在高溫條件下尤為明顯，電解電容器的壽命直接影響著變頻器/逆變器的使用壽命。在實際應用中由于過大的紋波電流在濾波用電解電容器的ESR產生熱而是濾波用電解電容器的壽命大大減少，通常這個紋波電流確實無法見效的。

紋波電流的產生主要有兩個方面：工頻整流濾波的紋波電流；產生紋波電流的另一個原因就是逆變器工作時產生的輸出頻率下的紋波電流和開關頻率下的紋波電流，這兩個紋波電流是所有變頻器/逆變器無法自身消除掉的，只能利用濾波電容器來吸收，這個濾波電流將在濾波電容器的ESR中產生明顯的功率損耗。由于本錢的限制，直到現在，沒有一個變頻器生產廠家將濾波用鋁電解電容器的紋波電流限制在電解電容器的額定紋波電流以下，因此對于需要較長的應用壽命應用領域下的變頻器/逆變器采用電解電容器作為濾波電容器將不得不定期更換濾波電容器，而在不能定期更換濾波電容器的場合下，只能是定期的報廢變頻器/逆變器，這樣既不利于確保可靠性也不利于低本錢使用，為此薄膜電容器進進變頻器/逆變器濾波電容器領域成為必然，其原因就是薄膜電容器的ESR可以做得極低，可以在1 mΩ以下，不僅如此，薄膜電容器的寄生電感也非常之低，僅幾個nH。

濾波與平滑用薄膜電容器

濾波與平滑用電容器是用來平滑整流器輸出的電壓、電流，在電壓低于450V時通常應用價格低廉的鋁電解電容器，當電壓高于500V低于700V時仍可以應用鋁電解電容器串聯的方式，但是在需要高可靠的場合與電壓高于1000V或更高時則應用薄膜電容器作為濾波電容器為好。

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一般平滑與濾波的薄膜電容器并沒有什么特殊地方，但是對于IGBT逆變器/變頻器由于其IGBT工作在相對高速的硬開關狀態，假如直流母線存在較大的寄生電感，將會在IGBT關斷時出現很高的感生電勢，不僅增加IGBT的關斷損耗，而且這個感生電勢過高時還會擊穿IGBT。不僅如此，濾波電容器存在較大的ESR，IGBT逆變器/變頻器所產生的開關紋波電流在濾波電容器的ESR上產生損耗而發熱，縮短濾波電容器的壽命。采用薄膜電容器作為變頻器的濾波電容器將消除定期更換鋁電解電容器的題目。

因此欲進步IGBT逆變器/變頻器的可靠性應選擇低寄生電感、低ESR的濾波電容器，可以選用專用于IGBT逆變器/變頻器的薄膜濾波電容器。以EPCOS的MKK電容器參數為例：

B25645-A4180-J***-1的額定參數：額定電容量（CN）：1000μF±5%，額定電壓（UN）：DC400V，儲能（WN）：80WS，最大紋波電流有效值（Imax）：60A，寄生電感（Lself）：5nH，損耗因數（tanδ0）：50×10-4，ESR：0.9mΩ；最大參數：浪涌電壓（US）：450V，浪涌電流（IS）：5kA，（du/dt）S：5V/μs；測試參數：（UTT）DC550V，10秒，盡緣電阻（Ris?C）：≥10000秒，損耗角正切（50Hz）：≤60×10-4。

B25655-A1148-K000的額定參數：額定電容量（CN）：1450μF±10%，額定電壓（UN）：DC1250V，交流輸進電壓（Ui）：1100V，儲能（WN）：1100Ws，最大紋波電流有效值（Imax）：135A，寄生電感（Lself）：40nH，損耗因數（tanδ0）：2×10-4，ESR：0.8mΩ；最大參數：交流輸進浪涌電壓（U）：1500V，浪涌電壓（US）：1900V，交流輸進浪涌電流（I）：2kA，浪涌電流（IS）：20kA，（du/dt）max：1V/μs，（du/dt）S：14V/μs；測試參數：（UTT）DC1900V，10秒，（UTC）DC3500V，10秒，盡緣電阻（Ris?C）：≥10000秒，損耗角正切（50Hz）：≤10×10-4。

從上述兩電容器的參數可以明顯看到：與鋁電解電容器相比，ESR、最大有效值電流、寄生電感、浪涌電壓/額定電壓的比值、浪涌電流均明顯優于鋁電解電容器，還有一個重要因素就是薄膜電容器的壽命是鋁電解電容器所無法相比的。如某種用鋁電解電容器濾波的變頻器的結構如圖2。

　　采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器的結構如圖3。

　　通過兩圖比較可以看到，采用變頻器專用薄膜濾波電容器的變頻器結構相對簡單。結構簡單的一個最大好處之一就是母線寄生電感更低，由于變頻器專用電容器模塊可以直接裝在母線板上，這樣所產生的寄生電感將明顯小于裝在散熱器旁邊的鋁電解電容器用銅板或母線連接到IGBT的方式。

變頻器專用薄膜濾波電容器的結構與裝配方式

以EPCOS的B25645-A4180-J***-1變頻器專用薄膜濾波電容器的結構為例，如圖4。電容器的引出端為銅板，裝配方式可以是將電極用螺栓固定在直流母線板的正、負極，實現電氣連接，這樣的電氣連接電容器與直流母線所包圍的空間將非常小，因而所產生的寄生電感也將非常小。再用L型固定夾板將電容器模塊固定在散熱器上，完成電容器模塊的機械固定，如圖3的安裝方式 。

　　綜上所述，采用薄膜電容器作為變頻器/逆變器的整流濾波電容器不僅可以大大進步變頻器/逆變器的應用壽命，避免更換濾波電容器之苦和付出的本錢代價，同時由于薄膜電容器的低ESR使你便電路中的開關管上的電壓應力大大減小，有利于開關管的工作狀態與可靠性。

電解電容在變頻器中的應用與變頻器中整流濾波電解電容器的作用，更多電容方案請咨詢上海工品實業有限公司，電解電容，薄膜電容，高溫電容，高壓電容等。