车用DC-Link电容器的选择和主要电参数估算.pdf

ELECTRONICS WORLD?探索与观察车用DC-Link电窓器的选择和主要电参数佔算厦门法拉电子股份有限公司陈渊伟【摘要】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【关键词】电动车和混合动力汽车(EV&HIEV);DC-Link;薄膜屯容器( Film Capacitor);容量( Capacitance);纹波电流( Ripple currcnt伏以上的级别,1GBT很容易就被击穿掉。1前言电路中接入电容器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到电池端我国汽车规划意见时指出:汽车行业十三五的发展目标,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本反馈在L1的部分,L2部分的didt可以忽略不计。所以,母线的尖动力要达到年产200万辆规模,到2020年累计产销量达到500万辆。峰电压=Ll*di/dL。如果C1采用薄膜电容器,正常情况沈下,线路的面对巨大的市场前景,国内外整车纷纷投入人力物力发展电动和电感L1可以控制到30nH以内,人大降低了母线上的尖峰电压混合动力汽车。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电容器需要同时具各以下的特点:1)电容器的耐电压能力需高于电池电驱动技术,才能在电动汽车和混合动力汽车领域立于不败之地。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经过儿年的发展,我国车用控制器技术已经趋于成熟,功率密度普电压,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遍达到10.0 KVA/kg以上。但日本家最高的功率密度可达到17.0 KVA/ko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,发热差距仍然不小,所以国内的控制器家开始关注控制器内电子元器件量小。3)电容器的自感要尽量小,以減小母线上的尖峰电压使用特点和发胺趋势,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川效率来降低各个器件的体积,从而达到提高功率密度的目3各种电容器的特点简介的。车用控制器内最主要的电子元器件是GBT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1)陶瓷电容器的原因,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,价格低廉等些描述帮心控削器厂家更加了解用DC-Link薄膜电容器,从而选优点,所以一些混合动力车用控制器厂家考虑到高温的应川场合,提出过择更合适的电容器。是否可以川陶瓷电容器作为DC-Link电容器。陶瓷电容按频率特性分有高频介电容器(1类瓷)和低频瓷介电容器(2类瓷);现分述如2车用DC-Link电容器的作用分析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,并午用DC-Link电容器的主要作用有两个:一是平滑母线电压,且高频损耗值很小,(Lan60.15%,P=IMH),最高使用频率可达使得母线电压在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,降低忖线上的尖峰电压。振、滤波和温度补偿等对容量和稳定度要求较高的电路。但出于该1)平滑母线电压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损耗和温度待性要求不高的低频电路旁路、報合、滤波等电路使。通过对陶瓷电容器的总结和了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人,容量能做图1大的烦率特性差,无法满足牛用高频纹波的滤波要求。所以,以对于平滑母线电压的工作原理,我们可以通过图1的典型电路图我们重点分析电解电容器和薄膜电容器的特点做下简要的分析。图1的电路在没有电容器C1的情况下,IGBT工作时2)溥膜电容器和电解电容器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。如最早的车用控制器使用的DC-Link电容器是电解电容器,后来果没有电容器,电流全部流经电池组,i-i,。此时,电池组内r(逐漸替换成薄膜电容器,最典型的案例就是丰阳的 Prius和 Prius I般在0.1欧以上)产生电压Ur=-ixr,并随电流变化,导致母线电压的变Prius使用的滤波电容器是电解电容器: Prius便开始使用薄化,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所示膜滤波电容器组。如下图图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+l/(2xfC)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i十i,且出于电容器阻抗小,1远大于i1。所以内阻r两端电图4P使用电解电容器图5 Prius J用的薄膜电容器压变化大大减小,母线上电压波动大人减小。电容器滤走了大部分电电解电容器具有容积比人,价格低等优点,但是为什么在车用流,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波形中的上升部分,GBT开关关断的时候,电容的能量变化两种电容器的特点来解释这个原因主要表现为电池组对电容充电,电容吸收功率。a.电解电容器的优点是容积比比薄膜电容器大波形中的下降部分,IGBT开关导通的时候,电容的能量变化在电压500V以下,同体积的电解电容器容量比薄膜电容器大主要表现为电容对负载(电机系统)放电,即为负载提供功率很多,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DC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。Link的应用场合,纹波频率经常达到20KH。出于滤波电路的阻抗2)降低线路电感等于容抗加上电容器的ESR,同体积的电解电容器的ESR相对于溥对于降低线路电感的工作原理,我们仍然川图1的典型电路图膜电容器一殷要高出一个数量级。所以整体的滤波效果与薄膜电容做下简要的分析器凵经相差不多,不足以体现其优势。如果没有电容器C1的情況下,IGBT到电池端的线路电感在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lGBT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聚丙烯薄膜介质为非极性材料,介电常数和介质损耗在1M都为几百