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(diǎn)，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(shí)指出：汽車行業(yè)十三五的發(fā)展目標(biāo)，有九個(gè)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(jì)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(diǎn)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(gè)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(gè)：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(shí)導(dǎo)致電路負(fù)載發(fā)生變化，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的di/dt普遍都在5A/ns以上，根據(jù)U=L*di/dt的理論公式計(jì)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(shí)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(jì)。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(shí)具備以下的特點(diǎn)：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(diǎn)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(shí)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(diǎn)分析電解電容器和薄膜電容器的特點(diǎn)。

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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)來解釋這個(gè)原因:

a.電解電容器的優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(jì)。

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(gè)特點(diǎn)

如果超過1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時(shí)，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(shí)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(xiǎn)， 使用者必須給每個(gè)電容并聯(lián)一個(gè)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(shí)，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(jì)，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(gè)特點(diǎn)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(shí)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(jì)，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(jì)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(jì)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(shí)由于電流激烈變化產(chǎn)生尖峰電壓和電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)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(jì)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(gè)PWM周期內(nèi)，IGBT導(dǎo)通時(shí)由電池組和電容器同時(shí)為電機(jī)提供能量。開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電池組向直流母線電容器充電。假設(shè)在IGBT導(dǎo)通的時(shí)候電機(jī)的負(fù)載為Z，那么這時(shí)電池組放電回路阻抗為r+Z（不考慮此時(shí)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(shí)，IGBT閉合的時(shí)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(jì)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(jì)，我們可以認(rèn)為在一個(gè)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(gè)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(jì)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(jì)算是建立在最極端的情況下，實(shí)際應(yīng)用中一般認(rèn)為IGBT開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)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(shí)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(jì)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?yàn)镮b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(shí)，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(shí)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(shí)。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(jì)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)。