中心議題：

• 變頻器中整流濾波電解電容器的作用
• 采用薄膜電容器作為變頻器/逆變器整流濾波電容器的優勢

解決方案：

• 電壓低於450V時通常應用價格低廉的鋁電解電容器
• 當電壓高於500V低於700V時仍可以應用鋁電解電容器串聯的方式
  ，
• 在高可靠性場合、電壓高於1000V或更高時則應選用薄膜電容器

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，一般認為：電解電容器的最主要的參數是額定電壓
、電(dian)容(rong)量(liang)
，通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)作(zuo)為(wei)整(zheng)流(liu)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)器(qi)，這(zhe)種(zhong)思(si)想(xiang)是(shi)受(shou)常(chang)規(gui)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)單(dan)相(xiang)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)三(san)相(xiang)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)中(zhong)，每(mei)個(ge)電(dian)源(yuan)周(zhou)期(qi)共(gong)有(you)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


，輸出功率就隻能靠電容器提供，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電解電容器兩串兩並。在這種負載條件下的整流輸出的平均值電流約為50A。在整流器不工作的2.2mS的時間內
，濾波電容器由於放電造成的電壓下降為33~35V，是600V整流輸出平均電壓的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。

變頻器主流母線中的紋波電流的產生主要有兩個方麵：工頻整流濾波的紋波電流，舉例來說對於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，對於一個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）卻絕對不能采用串入電抗器解決；產(chan)生(sheng)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)原(yuan)因(yin)就(jiu)是(shi)逆(ni)變(bian)器(qi)工(gong)作(zuo)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)和(he)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)，逆(ni)變(bian)器(qi)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)以(yi)逆(ni)變(bian)器(qi)驅(qu)動(dong)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)機(ji)為(wei)例(li)，要(yao)產(chan)生(sheng)很(hen)高(gao)幅(fu)值(zhi)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)

，第(di)二(er)種(zhong)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)是(shi)所(suo)有(you)變(bian)頻(pin)器(qi)/逆變器無法自身消除掉的
，隻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ESRzhongchanshengmingxiandegonglvsunhao。youyuchengbendexianzhi，zhidaoxianzai
，meiyouyigebianpinqishengchanchangjiajianglvboyonglvdianjiedianrongqidewenbodianliuxianzhizaidianjiedianrongqideedingwenbodianliuyixia，yinciduiyuxuyaojiaochangdeyingyongshoumingyingyonglingyuxiadebianpinqi/逆ni變bian器qi采cai用yong電dian解jie電dian容rong器qi作zuo為wei濾lv波bo電dian容rong器qi將jiang不bu得de不bu定ding期qi更geng換huan濾lv波bo電dian容rong器qi
，而er在zai不bu能neng定ding期qi更geng換huan濾lv波bo電dian容rong器qi的de場chang合he下xia，隻zhi能neng是shi定ding期qi的de報bao廢fei變bian頻pin器qi/逆變器
，這樣既不利於確保可靠性也不利於低成本使用。

那麼變頻器的直流母線上是否可以沒有濾波電容器
？結論是絕對不可以的。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400Vdeganshengdianshi，yinci
，xuyaoyonglvbodianrongqijinyibujianxiaozhuliumuxiandejishengdiangan。weilejiangdinibianqizhiliumuxiandejishengdiangansuoyinqidezukang，xuyaojiangdinibianqizhiliumuxiandezukang，zuijiandandebanfajiushizaizhiliumuxianshangbingjiediESR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。

從上麵分析可以看到：整zheng流liu濾lv波bo電dian容rong器qi的de作zuo用yong實shi際ji上shang更geng傾qing向xiang於yu吸xi收shou逆ni變bian器qi產chan生sheng的de紋wen波bo電dian流liu，抑yi製zhi逆ni變bian器qi中zhong的de開kai關guan管guan的de開kai關guan過guo程cheng而er產chan生sheng的de過guo衝chong電dian壓ya。降jiang低di直zhi流liu母mu線xian阻zu抗kang。

電解電容器的紋波電流與壽命的關係
變頻器/逆變器濾波與平滑一般是采用電解電容器，對於三相380V輸入的整流電路，通常采用兩隻額定電壓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隻3300μF/400V電解電容器兩串兩並實現。以通常認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，兩隻並聯也不過是16.4A。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，電解電容器間處於什麼狀態
？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為變頻器用濾波電解電容器的壽命與環境溫度、紋波電流的關係（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，並且壽命僅僅達到了最高工作溫度的壽命值。如果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。如果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產生功耗並編成焦耳熱。以30kW變頻器為例，並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，在兩並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。對於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dian解jie電dian容rong器qi的de阻zu抗kang頻pin率lv特te性xing的de高gao頻pin段duan主zhu要yao表biao現xian電dian解jie電dian容rong器qi的de感gan抗kang。關guan於yu電dian解jie電dian容rong器qi的de寄ji生sheng電dian感gan，很hen多duo電dian解jie電dian容rong器qi生sheng產chan廠chang商shang沒mei有you給gei出chu這zhe個ge參can數shu。但dan是shi
，在zai實shi際ji應ying用yong中zhong電dian解jie電dian容rong器qi的de寄ji生sheng電dian感gan將jiang直zhi接jie影ying響xiang逆ni變bian器qi的de性xing能neng。如ru兩liang隻zhi串chuan聯lian的de電dian解jie電dian容rong器qi的de寄ji生sheng電dian感gan為wei200nH，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幹擾。

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並接變頻器專用緩衝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係數如表2


通過折算，日立HCGF5A2G332Y電解電容器在85℃條件下的額定電流為： 
（1）
明顯低於RIFA-EVOX、CDE電解電容器，也低於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係數如表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、紋波電流的關係曲線
、阻(zu)抗(kang)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)以(yi)及(ji)其(qi)它(ta)相(xiang)關(guan)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)基(ji)本(ben)能(neng)比(bi)較(jiao)完(wan)整(zheng)的(de)表(biao)述(shu)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)特(te)性(xing)，相(xiang)應(ying)的(de)日(ri)立(li)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)則(ze)沒(mei)有(you)給(gei)出(chu)完(wan)整(zheng)的(de)數(shu)據(ju)。

電解電容器：一種無奈的選擇
在(zai)很(hen)長(chang)的(de)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)
，變(bian)頻(pin)器(qi)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)主(zhu)要(yao)關(guan)注(zhu)電(dian)力(li)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)進(jin)展(zhan)
，長(chang)期(qi)忽(hu)視(shi)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)革(ge)新(xin)，當(dang)電(dian)力(li)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)發(fa)展(zhan)到(dao)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)
，電(dian)力(li)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)性(xing)能(neng)將(jiang)可(ke)能(neng)受(shou)到(dao)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)約(yue)束(shu)，電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)就(jiu)是(shi)最(zui)鮮(xian)明(ming)的(de)例(li)子(zi)。

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(dian)容(rong)量(liang)

，通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)作(zuo)為(wei)整(zheng)流(liu)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)器(qi)。但(dan)是(shi)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)最(zui)大(da)的(de)缺(que)點(dian)就(jiu)是(shi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)問(wen)題(ti)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)高(gao)溫(wen)條(tiao)件(jian)下(xia)尤(you)為(wei)明(ming)顯(xian)，電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)壽(shou)命(ming)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)著(zhe)變(bian)頻(pin)器(qi)/逆變器的使用壽命。在實際應用中因為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麵：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，隻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ESRzhongchanshengmingxiandegonglvsunhao。youyuchengbendexianzhi


，zhidaoxianzai，meiyouyigebianpinqishengchanchangjiajianglvboyonglvdianjiedianrongqidewenbodianliuxianzhizaidianjiedianrongqideedingwenbodianliuyixia，yinciduiyuxuyaojiaochangdeyingyongshoumingyingyonglingyuxiadebianpinqi/逆ni變bian器qi采cai用yong電dian解jie電dian容rong器qi作zuo為wei濾lv波bo電dian容rong器qi將jiang不bu得de不bu定ding期qi更geng換huan濾lv波bo電dian容rong器qi，而er在zai不bu能neng定ding期qi更geng換huan濾lv波bo電dian容rong器qi的de場chang合he下xia，隻zhi能neng是shi定ding期qi的de報bao廢fei變bian頻pin器qi/逆變器，這樣既不利於確保可靠性也不利於低成本使用
，為此薄膜電容器進入變頻器/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，在電壓低於450V時通常應用價格低廉的鋁電解電容器
，當電壓高於500V低於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於1000V或更高時則應用薄膜電容器作為濾波電容器為好。

一般平滑與濾波的薄膜電容器並沒有什麼特殊地方
，但是對於IGBT逆變器/變頻器由於其IGBT工作在相對高速的硬開關狀態，如果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問題。

因此欲提高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，可以選用專用於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：浪湧電壓（US）：450V，浪湧電流（IS）：5kA，（du/dt）S：5V/μs；測試參數：（UTT）DC550V，10秒
，絕緣電阻（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，交流輸入電壓（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：交流輸入浪湧電壓（U）：1500V
，浪湧電壓（US）：1900V
，交流輸入浪湧電流（I）：2kA，浪湧電流（IS）：20kA
，（du/dt）max：1V/μs，（du/dt）S：14V/μs；測試參數：（UTT）DC1900V，10秒
，（UTC）DC3500V，10秒，絕緣電阻（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、浪湧電壓/額定電壓的比值、浪lang湧yong電dian流liu均jun明ming顯xian優you於yu鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi
，還hai有you一yi個ge重zhong要yao因yin素su就jiu是shi薄bo膜mo電dian容rong器qi的de壽shou命ming是shi鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi所suo無wu法fa相xiang比bi的de。如ru某mou種zhong用yong鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi濾lv波bo的de變bian頻pin器qi的de結jie構gou如ru圖tu2。



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tong過guo兩liang圖tu比bi較jiao可ke以yi看kan到dao，采cai用yong變bian頻pin器qi專zhuan用yong薄bo膜mo濾lv波bo電dian容rong器qi的de變bian頻pin器qi結jie構gou相xiang對dui簡jian單dan。結jie構gou簡jian單dan的de一yi個ge最zui大da好hao處chu之zhi一yi就jiu是shi母mu線xian寄ji生sheng電dian感gan更geng低di
，因yin為wei變bian頻pin器qi專zhuan用yong電dian容rong器qi模mo塊kuai可ke以yi直zhi接jie裝zhuang在zai母mu線xian板ban上shang


，這zhe樣yang所suo產chan生sheng的de寄ji生sheng電dian感gan將jiang明ming顯xian小xiao於yu裝zhuang在zai散san熱re器qi旁pang邊bian的de鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi用yong銅tong板ban或huo母mu線xian連lian接jie到daoIGBT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提高變頻器/逆變器的應用壽命，避免更換濾波電容器之苦和付出的成本代價，同時由於薄膜電容器的低ESR使你便電路中的開關管上的電壓應力大大減小，有利於開關管的工作狀態與可靠性。