电解电容器选型及散热说明

随着半导体技术的飞速发展, 高压、大电流电力电子设备在各行各业的应用越来越广泛, 而作为设备核心的IGBT功率半导体组件容量等级也日趋增大。目前单个IGBT功率半导体组件容量已达MW级别, 这就要求处于直流支撑环节的DC-Link电容容量、体积等技术同步。

对于变流器, 目前工业市场应用最为广泛的是交直交电压型设备, IGBT功率组件担任AC/DC、DC/AC或DC/DC变换任务。为保证变流器的直流电压稳定性, 在直流侧并联的DC-Link电容器以吸收高幅值脉动电流为目的[1]。

目前薄膜电容在很多行业以其高耐压、高安全性能指标占领了大部分市场, 但在一些特殊应用场合, 大容量电解电容仍具有相当的应用前景, 对其正确的应用手段仍不容忽视。

本文从DC-Link电容的串并联和结构散热方式两方面, 结合纹波电流对电容温升的影响, 从实际应用的角度, 提出一种电解电容的串并联及散热结构方式, 有效地解决了电解电容的发热问题, 同时也提高了其安装牢固性及拆装便利性。

电解电容器的正极通常为金属箔, 电解质为其绝缘氧化层, 作为电容器的负电极。

本文的分析以铝电解电容器为基础。相较于没有极性、绝缘电阻高、介质损失小和频率特性好的薄膜电容来说, 铝电解电容器具有如下优点:

(1) 额定容量大;

(2) 单位体积的电容量大;

(3) 价格实惠。

当然, 铝电解电容器也具有一些明显的缺点:

(1) 寿命有限;

(2) 温度引起的特性变化比较大;

(3) 使用在非正常条件时, 电容内压易上升造成压力阀动作;

(4) 电解液是易燃物。

铝电解电容器是有极性的电容, 它的正极采用铝箔, 经过阳极氧化处理后, 在其表面生成一层三氧化二铝薄膜, 形成正、负极板间。电容器的负极由电解质构成, 电解液一般由硼酸、氨水、乙二醇等组成。为了便于电容器的制造, 通常是把电解质溶液浸渍在特殊的纸上, 再用一条原态铝箔与浸过电解质溶液的纸贴合在一起, 这也方便在原态铝箔带上引出电容的负极, 如图1所示。

DC-Link电容是储能元件, 理想的情况下, 电容自身不会有能量损失。但实际上, 因为制造电容的材料存在电阻, 电容的绝缘介质就会有损耗。该损耗在外部看来像一个电阻跟电容串联在一起, 被称为“等效串联电阻”。DC-Link电容的简易等效电路如图2所示。

因此, 电容的功率损耗为

式中:f—电容两端纹波电压频率;tanδ—介质损耗角正切值;U—电容两端纹波电压值。

同时,

式中:R_esr—等效串联阻抗。

结合式 (1) 和式 (2) 得到

式中:I_c—电容上的纹波电流。

由式 (3) 可以看到, DC-Link电容损耗跟流过其两端的纹波电流及电容自身参数有关。

需要指出的是电解电容的总温升实际是由两部分组成:一部分是由纹波电流与R_esr产生的损耗引起, 另一部分则是由漏电流损耗引起。但是后一部分损耗相对较小, 通常忽略不计。

根据文献[2]和文献[3], DC-Link电容纹波电流有效值为

式中:

λ—Δu/U_max;

Δu—直流母线电压波动;

U—电容两端纹波电压值;

f_s—整流输出频率;

t_c、t_f—直流母线电容器充、放电时间;

I_o.rms—逆变输出电流额定值;

M—调制比;

cosφ—功率因数。

结合式 (3) 、式 (4) 可知, 电容损耗与纹波电流、R_esr的变化成正比, 与容值、直流电压波动、功率因数、调制比、电容内部参数等均相关[4-5]。

在拓扑电路参数已定的情况下 (电容容值、直流电压波动、功率因数、调制比等已定) , 与电解电容的选型有很大的关系, 特别与电解电容R_esr有直接关系。

因此, 这就要求选择R_esr更小、承受纹波电流能力更强的铝电解电容。

合理选择DC-Link电容时, 在电路总容值、纹波电流等确定的情况下, 只考虑电解电容器的串并联方式、R_esr大小及散热方式等[6]。

以某工业变流器为实例, 其主要参数为:直流母线电压1 050 V、DC-Link电容总容值为4.8 m F、输出三相额定电流600 A。考虑到电解电容的经济性及通用性, 选择450 V电压等级, 具体待选型号参数如表1所示。

综合考虑, 以下面2种选型方式为主。

方案1:

额定容值为8 200μF、直径90 mm的电容, 采用3串2并方式, 总容值为

8.200×2/3≈5.4 m F

总纹波电流承受能力 (有效值)

80.5×2=161 A

根据式 (3) 、式 (4) , 纹波电流为

I_c≈165 A

则每串电容的纹波电流值为

I_c1≈82.5 A

那么, 单位面积的损耗为

P≈267.8 W/m²

方案2:

额定容值为3 900μF、直径64 mm的电容, 采用3串4并方式, 总容值为

3.900×4/3=5.2 m F

总纹波电流承受能力 (有效值)

45×4=180 A

则每串电容的纹波电流值为

I_c1≈41.25 A

那么, 单位面积的损耗为

P≈148.7 W/m²

由以上数据可知2种方案的总容值都满足系统需求, 但方案2的总纹波电流承受能力比方案1大12%, 单位面积损耗较方案1小80.1%。

在同一个体积中, 2种方案的结构布置如图3所示。

因此, 在结构允许、散热允许的情况下, 适当增加电解电容的并联数量可以提高DC-Link系统的耐纹波电流能力, 降低单位面积损耗, 更加利于分散发热源、增加散热面积。

在确定了电解电容型号、串并联结构、电路拓扑参数的基础上, 电容的损耗就基本确定了, 与此同时电容的发热量也就确定了。

根据图1, 铝电解电容的基本结构为箔式卷绕型, 其阳极为金属铝箔, 电介质是用电化学方法在阳极金属箔表面上形成的三氧化二铝薄膜, 阴极为多孔性电解纸所吸附的工作电解质 (电解质可以是液体或固体) [7]。

电解电容正负极端子分别从正、负极箔中引出, 由于电解质中通常采用电解液作为电解质, 而电解液由铝外壳承装, 因此电解电容的铝外壳与负极端子相连通。铝外壳底部留出的固定螺柱内部凸起与负极金属箔紧密连通, 一方面加强金属箔和电解纸的安装固定;另一方面, 将金属箔上的热量以导热的形式传递到铝外壳上进行散热, 避免内部芯子热量集中而导致温升过大。

由于铝外壳与电极负端子相通, 为安全起见, 铝外壳外面通常采用绝缘套管包裹, 且铝外壳内侧壁与金属箔之间存在5 mm左右的间隙 (保证电解液的流通) 。电解电容主要的发热源为中间的芯子部位, 主要的散热形式有: (1) 通过铝外壳底部内侧凸起与芯子的紧密接触形成导热, 通过外壳进行散热。由于铝外壳外面包裹了绝缘套管, 很大程度上增加了散热热阻, 散热效果不佳。 (2) 通过铝外壳底部外侧固定螺栓与空气直接接触散热。由于该处螺栓散热面积有限, 且通常采用绝缘板安装固定, 与空气接触面积大大减小, 散热效果受到了极大限制。 (3) 由于电解电容正负极端子是采用铝箔引线连接到正负极金属箔上, 能够很好地将热量引出到正负极端子上, 而正负极端子与铜材料的复合母排紧密接触, 能够很好地将热量引出到铜母排上进行散热, 有一定的散热效果。

下面针对上述的2种串并联方案进行具体分析。

方案1:

布局如图4, 采用常规的散热方法, 即强迫风冷, 对电容圆柱外壳进行吹风散热。电解电容安装在四周封闭固定板风道中, 侧面安装2只风机进行抽风散热, 如图5所示, 风机额定流量1.92 m³/min, 进口风速约4 m/s。

三相交流输出电流600 A、直流1 050 V时, 实测电容芯子温度和外壳温度分别为82.3℃和36.8℃, 参考环境温度15.9℃, 芯子温升和外壳温升分别为66.4 K和20.9 K。芯子温升过大, 其温度已接近电容最大允许温度, 其寿命难以保证。

该散热方法主要是通过强迫风冷吹电解电容外壳的方法进行散热, 效果不理想。

方案2:

通过对电解电容内部结构和散热方式的进一步理解, 以及对该功率单元内电解电容的不断试验测试, 认为方案1的散热方式很难达到要求, 为此针对原有结构布局, 同时考虑3串4并的电容选型方案, 重新做出优化改进, 如图6所示。 (1) 采用容值为3 900μF、直径64mm的电容, 3串4并的布局方式替代方案1。 (2) 电解电容底部固定螺栓处增加导热性能优良的散热翅片, 并利用其结构强度作为安装固定。 (3) 将电容器穿过挡板, 并以挡板为分界形成左右2个风道。 (4) 风机安装在功率组件底部进行吹风, 左边风吹散热翅片和部分电容外壳, 右边风吹电容正负极端子及其连接的复合母排。

根据此布局方式改进的样机, 在同样的电路参数下进行测试, 电容芯子最高温度73.1℃, 外壳温度49.1℃, 参考环境温度30.6℃, 电容芯包温升为42.5 K, 外壳温升为18.5 K。

由方案1和方案2实测数据比较可知, 方案2比方案1电解电容芯子温升降低了23.9 K, 散热效果有明显的改善。

综上所述, 对于电解电容散热而言, 着重需要注意的是: (1) 强迫风冷散热时, 尽量采用抽风形式, 且应有一定的风道长度便于均匀风速。 (2) 电解电容底部固定螺栓能很好地将内部热量导出, 利用合理的散热设计可以很大程度降低电容内部温升。 (3) 电解电容正负极端子具有导热效果, 对其进行导热及散热设计, 可以在一定程度上降低电容温升。

(1) 电解电容器发热是其应用过程中不可避免的难点, 主要危害是大大降低了电解电容器的运行及使用寿命, 从而影响到变流装置的稳定性和可靠性。本文根据实际工程应用问题, 对电解电容原理、内部结构、发热原因和散热方式进行分析, 通过合理正确的选型方法, 提高电解电容的耐纹波能力及发热处理能力。

(2) 对如何有效地解决电解电容发热的问题提出了实际的解决方案, 并通过样机实际测试数据对比分析, 结合理论分析结果, 设计出一种有效降低电解电容温升的散热固定方式, 能很好地保证电容温升在可控范围内, 极大地提高了变流装置的运行可靠性及使用寿命, 对工程实际应用具有指导作用。