简介：直流链路及其在高效电源转化中的效果
跟着全球越来越具有动力认识，并且为了协助保护环境和进步生活水平，而正在向高科技范畴改变，电力电子技能成为电能高效转化、调度和操控的要害。
电费的不断上升，使支撑智能速度操控的变频电机驱动器在不断添加的各种运用中变得更具本钱效益。这类驱动器不只下降了全体功耗，并且还有助于下降可闻噪声，而使规划人员能够在家用电器和空调等产品中完成新的特性与功用。
准确的电机转速操控也是立异工业自动化和无人机和电动汽车(EV)等新式产品类别的要害推进力。它们正在推进令人兴奋的商场开展，并且关于电动汽车来说，也在协助国际从内燃机排放傍边解放出来。
电子操控逆变器是变频驱动器的重要组成部分。其关于将风能和太阳能等可再生动力的清洁、高质量电能以适宜的电源频率运送给智能电网也至关重要。
为了取得最佳的可靠性和电能质量，逆变器需求在其输入端供给一个洁净、安稳的直流电压。这个职责落在了体系电源和逆变器输入之间的直流链路上。电源关于电器或工业机器来说，或许是沟通线路，或者是能量收回体系或风力涡轮机中发电机的输出：这个沟通电的频率一般不合适向电网运送，并且具有很大不希望的谐波含量。
电源波形一般运用规范或受控桥式整流器进行全波整流——该整流器发生的直流电压波形是输入频率的2倍，输入起伏的一半并且具有很多电压纹波。直流链路有必要对这个噪声波形进行滤波和滑润处理，来为逆变器供给所需的清洁、安稳的直流输入。图1给出了将原始沟通电源以受控频率转化为高质量沟通电所触及的电力电子功用。
图1：在选用逆变器转化成受控沟通电之前，先要通过交直流转化，然后是直流链路中的电容滤波。
实际上，直流链路是一个储能和滤波网络，它有必要使纹波尽或许减小，并使输出电压尽或许坚持挨近原始整流输入的峰值(图2)。
电容是完成这一方针的要害要素。按以下公式核算，所需的电容取决于负载功率、整流器频率、作业电压和最大答应电压纹波：
表1给出了运用该公式核算出的电容值的示例值——假定最大直流电压为400V，最大答应纹波为10%。
表1：所需的直流链路电容取决于整流器频率和负载功率。
面向直流链路运用的电容器技能
薄膜电容器或电解电容器一直是直流链路运用中最常用的电容器。抱负功能包括高电压才能(可将高压直流总线所需串联电容器的数量尽或许减小)、防止内部过热的低耗散因数(DF)，以及将直流输出电压的过冲和振铃尽或许减小的小电感。电容挑选也取决于环境作业温度和尺度约束等环境要素。
电解电容器能够供给与其尺度相关的大电容和本钱的强壮组合，十分合适于中等功率的运用。典型的功能趋势包括负温度系数的等效串联电阻(ESR)，即在温度下降时，其值倾向于添加。另一方面，电解电容器的电容在温度下降时则倾向于下降。
聚丙烯薄膜电容器与其尺度有关，具有很高的纹波电流才能，因而使其十分合适于大功率运用。此外，因为ESR和电容等参数对温度相对不灵敏，因而规划人员一般更喜爱挑选薄膜电容器用于各种运用和环境中的直流链路。
直流链路规划的新趋势需求选用新的电容器
逆变器规划的最新趋势正走向更高的作业频率，以及碳化硅或氮化镓FET和二极管等宽带隙(WBG)半导体的运用。这些器材能够在比传统硅半导体器材更高的电压下作业，也能够接受更高的温度而不影响到可靠性。宽带隙器材倾向于用于亟需最大极限进步能效的高端运用，例如可再生动力发电、电动汽车和充电器等。
与宽带隙半导体器材相关的更高的开关频率、更高的直流链路电压以及更高的作业温度，要求有不同的电容特性。开关频率进步意味着直流总线中所需的电容减小，而最大的作业电压和温度才能则有必要进步。另一方面，低等效串联电感(ESL)、低ESR和低损耗因数的需求依然十分火急。
因为所需电容减小，因而规划人员能够使用片式多层陶瓷电容器(MLCC)来取得MLCC在宽温度范围内超卓的安稳性以及可接受较高的最高作业温度的优势。一起，MLCC选用小型表贴外壳封装，因而具有很高的机械安稳性，并能够接受很多的电路板曲折。
基美电子(KEMET)的贱金属镍电极MLCC的特性，十分合适用于直流链路。C0G器材选用特别的顺电锆酸钙基陶瓷介质，具有超卓的温度安稳性，可完成低ESR、ESL和DF。
比较之下，MLCC包括PLZT(锆钛酸铅镧)等更常见的介电资料类型，会跟着温度和频率的添加而使电容丢失。因而，为了保证在峰值作业温度下供给满意的电容，规划人员或许被逼要在直流链路中添加额外的电容器。
为了使MLCC能够运用到更广泛的运用和作业环境中所布置的直流链路中，业界正在开发新的资料、封装结构和拼装工艺而使其功能得到持续扩展。具有高性价比的贱金属电极(BME)系列可在小尺度的情况下供给大电容，因而可完成更小的全体尺度和物料清单本钱。如图2所示，其电容值与X8R竞赛类型比较十分安稳，最高作业温度可到达200℃。实际上，其在200℃下供给的电容相当于许多2类MLCC，而C0G器材则具有更低的DF、更高的绝缘电阻(IR)和更高的电压才能。规范的MLCC现成产品现在能够供给高达2000V的额外电压，外壳尺度从0805到4540不等，并且其正在进行开发，力求保证供给高达260℃和300℃的可靠性。
图2：能够依托C0G BME MLCC在整个温度范围内供给希望的电容。
为了满意职业对直流链路电容提出的较小外壳尺度的需求，基美电子最近推出了选用U2J电介质、额外电压高达50V的MLCC，因而可用于48V DC/DC电源电路。这类器材比较典型的C0G MLCC电容，在相似尺度中能够供给大约两倍的电容，并具有低ESR、低ESL及DF优于0.1%的特性。图3比较了新推出的U2J MLCC与相似C0G和X7R电容器在-55℃至125℃的U2J温度范围内的电容温度特性。
图3：新的U2J MLCC的温度安稳性挨近于C0G类型，一起在相同外壳尺度下可供给大约两倍的电容。
总结
逆变器在电力电子体系中正越来越多地被用于操控高效变速电机驱动器的供电频率，以及从风能和太阳能等可再生动力中发生电网质量的电力。直流链路为逆变器供给组成所需沟通电源波形所必需的洁净、安稳的直流输入，工程师对直流链路的这一效果有必要有所了解。
逆变器正被越来越多地用于从48V到500V乃至更高电压的产品类型和运用，因而关于滤波和储能来说，为直流链路电容器供给更多、更好挑选的需求正在日积月累。尽管老练的电解电容器和聚丙烯薄膜电容器技能在不断供给强壮的功能，但先进的MLCC现在供给了新的挑选，能够协助节约空间并进步可靠性。
