车用DC-Link电容器的选择和主要电参数估算

2016-09-16厦门法拉电子股份有限公司陈渊伟

电子世界 2016年12期

关键词：纹波车用电池组

厦门法拉电子股份有限公司陈渊伟

厦门法拉电子股份有限公司陈渊伟

本文通过分析车用DC-Link电容器的使用条件和对比不同电容器的特点，解释了车用DC-Link应用场合最终选择薄膜电容器的原因。并通过理论分析介绍了薄膜电容器的主要电参数的选择和估算。

电动车和混合动力汽车（EV & HEV）；DC-Link；薄膜电容器（Film Capacitor）；容量（Capacitance）；纹波电流（Ripple current）

1　前言

我国《汽车规划意见》时指出：汽车行业十三五的发展目标，有九个方面，其中新能源汽车要形成规模，纯电动汽车插电式混合动力要达到年产200万辆规模，到2020年累计产销量达到500万辆。面对巨大的市场前景，国内外整车厂纷纷投入人力物力发展电动和混合动力汽车。电力驱动器作为电动汽车和混合动力汽车的核心动力器件，其地位相当于传统燃油车的发动机。掌握了最尖端的电力驱动技术，才能在电动汽车和混合动力汽车领域立于不败之地。

经过几年的发展，我国车用控制器技术已经趋于成熟，功率密度普遍达到10.0kVA/kg以上。但日本厂家最高的功率密度可达到17.0kVA/kg。差距仍然不小，所以国内的控制器厂家开始关注控制器内电子元器件的使用特点和发展趋势，力图通过更换控制器内部电子元器件或提高电子元器件的使用效率来降低各个器件的体积，从而达到提高功率密度的目的。车用控制器内最主要的电子元器件是IGBT和DC-Link电容器。

本文详细介绍了车用DC-Link应用场合为什么选择薄膜电容器的原因，并提供了一些主要电参数的理论估算方法。希望能通过这些描述帮忙控制器厂家更加了解车用DC-Link薄膜电容器，从而选择更合适的电容器。

2　车用DC-Link电容器的作用分析

车用DC-Link电容器的主要作用有两个：一是平滑母线电压，使得母线电压在IGBT开关的作用下仍较为平滑；二是降低IGBT端到电池端的线路电感，降低母线上的尖峰电压。

1）平滑母线电压

图1

对于平滑母线电压的工作原理，我们可以通过图1的典型电路图做下简要的分析。图1的电路在没有电容器C1的情况下，IGBT 工作时导致电路负载发生变化，当负载发生变化时，母线上会产生电流i。如果没有电容器，电流全部流经电池组，i=i1。此时，电池组内阻r（一般在0.1欧以上）产生电压Ur=i×r，并随电流变化，导致母线电压的变化，就是我们说的纹波电压。假设没有电容器的电压波形如图2所示：

图2　不含DC-Link电容器的电压波动示例

图3　含DC-Link电容器的电压波动示例

当电路中有滤波电容器时，电容器两端的阻抗Z=ESR+1/（2πf C）远小于电池内阻r，正常情况下会小一个数量级。母线上的电流i分成两路电流i1+ i2，且由于电容器阻抗小，i2远大于 i1。所以内阻r两端电压变化大大减小，母线上电压波动大大减小。电容器滤走了大部分电流，此时，母线端电压波形图可能会如图3所示，变得更加平滑。

波形中的上升部分，IGBT开关关断的时候，电容的能量变化主要表现为电池组对电容充电，电容吸收功率。

波形中的下降部分，IGBT开关导通的时候，电容的能量变化主要表现为电容对负载（电机系统）放电，即为负载提供功率。

这里要说明一下，上图的波形不是实际使用中母线的真正波形，本文采用效果类似而相对简洁的波形来解释电容器的作用。

2）降低线路电感

对于降低线路电感的工作原理，我们仍然用图1的典型电路图做下简要的分析。

如果没有电容器C1的情况下，IGBT到电池端的线路电感在IGBT开关的时候会在母线上产生尖峰电压。该段电路的电感一般都为几百nH甚至uH以上，而IGBT关断时的di/dt普遍都在5A/ns以上，根据U=L*di/dt的理论公式计算。母线上的尖峰电压会达到千伏以上的级别，IGBT很容易就被击穿掉。

电路中接入电容器C1以后，，IGBT到电池端的线路电感被分割成两部分，IGBT到电容器C1的部分电感L1和电容器C1到电池端的部分电感L2。由于有电容器的阻隔，IGBT关断时产生的di/dt基本反馈在L1的部分，L2部分的di/dt可以忽略不计。所以，母线的尖峰电压U=L1*di/dt。如果C1采用薄膜电容器，正常情况下，线路的电感L1可以控制到30nH以内，大大降低了母线上的尖峰电压。

通过对车用DC-Link电容器的作用分析，我们可以得出车用DC-Link电容器需要同时具备以下的特点：1）电容器的耐电压能力需高于电池电压，现有控制器的电池最高电压一般在400V左右，加上纹波电压和尖峰电压，电容器的最高耐压一般要达到600V以上。2）电容器的持续耐高频纹波电流能力要达到150A以上。这就要求电容器的损耗低，ESR低，发热量小。3）电容器的自感要尽量小，以减小母线上的尖峰电压。

3　各种电容器的特点简介

1）陶瓷电容器

陶瓷电容器具有耐热性能好，绝缘性能优良，结构简单，价格低廉等优点，所以一些混合动力车用控制器厂家考虑到高温的应用场合，提出过是否可以用陶瓷电容器作为DC-Link电容器。陶瓷电容按频率特性分有高频瓷介电容器（1类瓷）和低频瓷介电容器（2类瓷）；现分述如下：

a.高频瓷介电容器（亦称1类瓷介电容器）

该类瓷介电容器的损耗在很宽的范围内随频率的变化很小，并且高频损耗值很小，（tanδ≤0.15%，f=1MHz），最高使用频率可达1000MHz以上。同时该类瓷介电容器温度特性优良，适用于高频谐振、滤波和温度补偿等对容量和稳定度要求较高的电路。但由于该类陶瓷材料的介电常数较小，其容量值难以做高，因此当需要更高容量值的电容器时只能在2类磁介质电容器中寻找。

b.低频瓷介电容器（亦称2类瓷介电容器）

该类瓷介电容的陶瓷材料介电常数较大，因而制成的电容器体积小，容量范围宽，但频率特性和温度特性较差，因此只适合于对容量、损耗和温度特性要求不高的低频电路做旁路、耦合、滤波等电路使用。

通过对陶瓷电容器的总结和了解，不难发现陶瓷电容器不适合用于车用DC-Link应用场合，频率特性好的容量做不大，容量能做大的频率特性差，无法满足车用高频纹波的滤波要求。所以，以下我们重点分析电解电容器和薄膜电容器的特点。

2）薄膜电容器和电解电容器

最早的车用控制器使用的DC-Link电容器是电解电容器，后来才逐渐替换成薄膜电容器，最典型的案例就是丰田的PriusⅠ和PriusⅡ。

PriusⅠ使用的滤波电容器是电解电容器；PriusⅡ便开始使用薄膜滤波电容器组。如下图：

图4　PriusⅠ使用电解电容器

图5　PriusⅡ用的薄膜电容器

电解电容器具有容积比大，价格低等优点，但是为什么在车用DC-Link的应用场合会被薄膜电容器替换掉，我们可以通过对比这两种电容器的特点来解释这个原因:

a.电解电容器的优点是容积比比薄膜电容器大

在电压500V以下，同体积的电解电容器容量比薄膜电容器大很多，所以在频率较低的滤波场合，电解电容器由于容抗较小，滤波性能要比薄膜电容器优越。但是在高频应用场合，如车用DCLink的应用场合，纹波频率经常达到20KHz。由于滤波电路的阻抗等于容抗加上电容器的ESR，同体积的电解电容器的ESR相对于薄膜电容器一般要高出一个数量级。所以整体的滤波效果与薄膜电容器已经相差不多，不足以体现其优势。

b.薄膜电容器具有比电解电容器更加良好的温度和频率特性

聚丙烯薄膜介质为非极性材料，介电常数和介质损耗在1MHz以下几乎是不变的。薄膜电容器的容量和等效串联电阻在-40℃～105℃的温度范围内变化范围分别在±3%和±30%以内。

铝电解电容器如图6所示。

图6　铝电解电容器容量随温度

图7

及频率的变化曲线（典型值）

电解电容器低温下容量急剧下降的特点影响了它在低温环境下的应用，因此在高海拔和低纬度地区使用电解电容器进行滤波，就需要特别的设计。

c.薄膜电容器没有极性，能承受反向电压，而铝电解电容器不具备这个特点

如果超过1.5倍Un的反向电压被加在电解电容上时，会引起电容内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。为了避免这种危险，使用者必须给每个电容并联一个二极管。而薄膜电容器没有极性，可以任意极连接。

d.薄膜电容器的额定电压高，不需要串联和平衡电阻

为了提高输出功率，混合动力汽车和燃料电池汽车的母线电压有不断提高的趋势。现在已普遍达到在容量0.5mF和1.5mF基础上加650VDC的水平。而电解电容器的额定电压基本都不高于550V，所以当母线电压高于550V时，系统只能通过串联电解电容器来提高电容器组的耐压水平。这样，不仅增加了电容器组的体积、成本，也增加了电路中的电感和ESR。

e.薄膜电容器采用干式设计，没有电解液泄露的问题，没有酸污染。

f.薄膜电容器具有比铝电解电容器更低的ESR，通过耐纹波电流能力强，大于200mA/μF，电解电容通过纹波电流能力为20 mA/ μF。这个特点能大大减小系统中所需要的电容器的容量。

g.薄膜电容器的抗脉冲电压能力强，大于1.5Un；电解电容器的抗脉冲电压＜1.2 Un。在特定应用中电容的抗浪涌能力也是考察电容的重要指标。实际上，对电解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是1.2倍。这种情况迫使使用者不得不考虑浪涌电压而非标称电压。

h.薄膜电容器采用无感式设计，自感ESL比铝电解低

DC-Link薄膜电容器通过把母线整合到电容器模块里，使它的自感降到最低（可小于10nH），大大减小了在必要开关频率下的震荡效应。因此，并联在DC-Link电容器上昂贵的吸收电容经常被省略掉。

i.薄膜使用寿命长，可满足车辆15年或30万公里的寿命要求，而铝电解电容器的使用寿命一般为5年。

j.薄膜电容器形状设计灵活，可根据客户需求定做。而电解电容器一般为圆形的设计尺寸，无法充分利用车用控制器内部的空间。

4　车用DC-Link薄膜电容器主要参数估算

1）电容器组电压的选择

车用控制器的母线电压除了正常的纹波电压波动，还包括IGBT开关和闭合时由于电流激烈变化产生尖峰电压和电机反转时产生的反向电压。早期的车用直流母线电容器主要采用电解电容器，电解电容器要求使用过程中不能有超过1.2倍额定电压的脉冲值，所以很多控制器厂家在选择直流母线电容器的时候往往选择额定电压比母线尖峰电压高的电容器。但是膜电容器在使用中允许有超过1.2倍额定电压值的脉冲，所以理论上可以选择额定电压较低的膜电容器。根据目前市场上的主要应用信息，总结如下：

280V左右的电池组一般选择额定电压为450V的膜电容器；

300V～350V的电池组一般选择额定电压为450V或500V的膜电容器；

350V～400V的电池组一般选择额定电压为500V、550V或600V的膜电容器；

450V～550V的电池组一般选择额定电压为700V、750V或800V的膜电容器；

550V～650V的电池组一般选择额定电压为850V或900V的膜电容器。

2）电容器组容量的计算

车用控制器应用中，直流母线电容器是以IGBT的载波频率来完成充放电的。在一个PWM周期内，IGBT导通时由电池组和电容器同时为电机提供能量。开关关断时，电池组向直流母线电容器充电。假设在IGBT导通的时候电机的负载为Z，那么这时电池组放电回路阻抗为r+Z（不考虑此时电池组对电容器充电的回路），电容器的放电回路阻抗为ESR+Z。由于ESR远小于r，所以电容器为电机提供的功率不小于电池组为电机提供的功率值。在极端的情况下，当Z也远小于电池组内阻r时，IGBT闭合的时候的输出功率几乎全部由电容器提供。这种情况下，所需要的电容器容量最大，我们可以通过公式来计算这种情况下所需要的容量大小。

假设控制器输出的最大功率为P，电路为典型的三相全桥拓扑设计，我们可以认为在一个开关周期内，母线所提供的能量约为（见图7）：