摘要：
薄膜电容器因为具有耐压高,纹波电流大,杂散电感小,等效串联电阻小,运用寿数长等特色,很多运用在各种家用电器/工业设备/军工产品等等上.薄膜电容器有如此多的长处,但在实践运用中,研制规划人员常常疏忽了一些细节,构成薄膜电容器没有发挥应有的电性能及产品优势,严峻者还会导致电路异常,产品失效等状况发作.
Summary: Film capacitors widely used in household appliance, industrial equipment, war industry and so on, with the characterisTIc that high withstand voltage, heavy ripple current, low stray inductance, low ESR and long life TIme. But in pracTIcal use, R&D engineer often ignore some details, it impels that the film capacitors can’t exert their electric capability and advantage, even lead to wrong circuit and product invalidaTIon.
导言：
电磁加热设备把工频的沟通电或纯直流电,经过半桥/全桥逆变技能,变为高频沟通电(1KHz—1MHz).高频沟通电经过各种电理性负载后会发作高频交变磁场.当金属物体处于高频交变磁场中,金属分子会发作很多小涡流. 涡流使金属分子高速无规则运动,金属分子间相互磕碰、磨擦而发作热能,终究到达把电能转换为热能的意图.电磁加热设备在咱们的作业和日子中很多的频频的运用.例如家用电磁炉/电磁茶炉,商用电磁炉,高频淬火机,封口机,工业熔炼炉等等.本文以三相大功率商用电磁灶为例, 浅析薄膜电容器在电磁加热设备中的运用.
一 商用电磁灶三相全桥电路拓扑图
二 C1—C6功用阐明
C1/C2:三相沟通输入滤波、纹波吸收, 进步设备抗电网搅扰的才能
C1,C2和三相共模电感组成Pi型滤波,在设备中起电磁搅扰按捺和吸收的效果.该电路一方面按捺IGBT因为高速开关而发作的电磁搅扰经过电源线传送到三相工频电网中,影响其他并网设备的正常运用.另一方面避免同一电网中其他设备发作的电磁搅扰信号经过电源线传送到三相工频电网中,影响电磁加热设备本身的正常运用.(对内按捺本身发作的搅扰,对外反抗其他设备发作的搅扰,具有双面性) EMC=EMI+EMS
在实践运用中,C1能够挑选MKP-X2型(按捺电磁搅扰用固定电容器),容量规模在3µF－10µF之间,额外电压为275V.AC－300V.AC. 选用Y型接法,公共端悬空不接地. C2能够挑选MKP型金属化薄膜电容器,容量规模在3µF－10µF之间,额外电压为450V.AC－500V.AC ,选用三角形接法.
C1和C2准则上选用的电容量越大,那么关于电磁搅扰的按捺和吸收效果越好.可是电容量越大,那么设备待机时的无功电流就越大.耐压方面要依据设备运用地域的电网状况而合理保存必定的余量,避免夜间用电量十分小的时分,电网电压过高而导致电容器电压击穿或寿数遭到必定的影响.
C3: 整流后滑润滤波、直流支撑(DC-Link),吸收纹波和完结沟通重量的回路。
C3和扼流圈L组成LC电路,把三相桥式整流后的脉动直流电变为滑润的直流电,供后级逆变桥及负载运用.在商用电磁灶机芯实践电路中,C3一般是由几十微法的薄膜电容器组成.该方位的薄膜电容器其实所起的效果是直流支撑(DC-LINK),担任纹波的吸收和完结沟通重量的回路,而不是很多人所以为的(滤波).几十微法的电容量,关于几十千瓦的负载来说,所起到的滤波效果是十分小的,直流母线的电压波形根本就无法变得很滑润.因为IGBT的高速开关,会发作很多的高次谐波电流及尖峰谐波电压.假设没有电容器作为谐波电流和尖峰电压的吸收,那么直流母线回路会发作很多的自激振荡,影响IGBT等的安全运用及缩短寿数时刻.因而,运用薄膜电容器作为直流母线纹波电压和纹波电流的吸收是现在国内外最常用的办法之一。
C3准则上选用的电容量越大,那么吸收效果越好.可是需求留意的是电容量过大,简单导致设备刚合闸上电的时分,因为电容器的瞬间充电电流过大而导致整流桥,保险管等过流击穿.在商用电磁灶机芯里,一般的选用准则是:半桥计划(1.5µF/KW) 全桥计划(1.2µF/KW).该装备是依据惯例的薄膜电容器能接受的2A/µF的规划工艺所揣度。
例如商用电磁灶半桥20KW机型,需求的C3容量是20*1.5=30µF C3的总纹波电流是30*2=60A 全桥20KW机型,需求的C3容量是20*1.2=24µF（实践可取25－30µF） C3的总纹波电流是25*2=50A 主张实践选取的电容量及电容器能答应接受的纹波电流值不能低于上述主张值。
C3方位必需求考虑电路实践需求的纹波电流值是否小于所选用的薄膜电容器能接受的总纹波电流值(还要保存必定的电流余量),不然假设电路需求60A的纹波电流,而挑选的电容器一共能接受的纹波电流只要40A,那么会导致薄膜电容器发热严峻,长时间过热运转,大大下降薄膜电容器的运用寿数,严峻的导致薄膜电容器胀大鼓包,乃至起火燃烧.耐压方面,一般挑选额外电压为800－1000V.DC即可.
C4: IGBT的尖峰电压/电流吸收、缓冲和按捺，避免IGBT击穿
C4作为IGBT的注册/关断尖峰吸收,一般用C型或许RC型接法,并接于IGBT的CE端.耐压方面一般要依据IGBT的额外电压来挑选,并保存必定的电压余量.电容量方面,一般可取0.01µF－0.033µF之间,要依据电路和IGBT之间的匹配状况来挑选最适合的电容量.C4方位的电容器,有必要运用dv/dt值比较大的电容器类型,运用中要留意温升是否在答应规模里.如运用RC型接法,需求留意R发热量巨大,布局的时分需求R与C保存必定的空间间隔,避免电容器遭到过大的热辐射.
C5: 谐振电容器,合作负载(电感线圈、变压器等)构成LC谐振回路.
C5作为谐振电容器,与L构成LC谐振回路,把功率运送出去.在运用中要留意所选用的电容器额外电压是否满足(谐振电压跟设备功率,负载原料,磁载率,负载到电感的间隔,电路Q值等有关).如所挑选的电容器额外电压值比实践谐振电压值低,那么简单呈现电容器电压击穿的状况.谐振电容器的电流挑选方面,最好先经过理论值核算，然后开始挑选电流值,待设备功用满足要求后，让设备在最大功率的时分经过丈量LC回路的峰值电流/均方根值电流的实践值后再进行调整.假设实践经过的高频电流值比电容器的额外电流值大,那么会导致谐振电容器过热运转,长时间作业简单呈现鼓包或许摧毁,乃至是起火的状况发作.电路的谐振频率也要在谐振电容器答应的频率规模内.
C6: 直流母线吸收电容,就地吸收,缓冲和按捺IGBT开关时发作的尖峰电压.
C6和C3相同并接于直流母线的正负极上.可是因为结构及布线回路等因数的限制,导致后端的IGBT远离C3电容,所以需求在后端的IGBT模块的电源端直接锁上一只母线吸收电容,就地吸收IGBT发作的纹波电压和纹波电流.C6在挑选的时分,耐压方面一般依照IGBT的额外电压来挑选.尽量挑选纹波电流大,dv/dt大,杂散电感小的母线吸收电容.例如MKPH－S 0.47µF 1µF 1.5µF 2µF等类型,额外电压1200V.DC的吸收电容器。
三 薄膜电容器选型中常呈现的问题
A 额外电压挑选不妥
额外电压挑选不妥,呈现最多的当地是谐振电路部分(C5).研制人员应该依据设备的额外功率,输入电压,电路拓扑,逆变操控方法,负载原料,负载磁载率,电路Q值等参数作为归纳考虑后作开始核算.待样机开始到达要求后,需求用示波器加高压电压探头,实践丈量一下设备在最大功率的时分,谐振电容器两头的峰峰值电压,峰值电压,均方根值电压,谐振频率等参数,用来断定所挑选的谐振电容器类型及参数是否正确.
B 额外电流挑选不妥
额外电流挑选不妥,呈现最多的当地是C3(直流支撑)和C5(谐振)部份.实践需求的电流值假设比电容器答应经过的电流值大,那么会构成电容器发热严峻,长时间高温作业,导致电容器寿数大大下降,严峻的会摧毁乃至是起火燃烧.在设备研制中,能够经过专用的电流探头或其他方法,丈量一下实践需求的峰值电流，均方根值电流,然后调整电容器的参数.终究可经过设备在满功率老化测验中,丈量一下电容器的温升,依据电容器的温升答应参数来断定电容器的挑选是否恰当.（电流丈量及温升状况来归纳鉴定）
C 接线方法不妥
接线方法不妥,首要呈现在电容器多只并联运用中.因为接线方法,走线间隔不共同等因数,导致每只并联的电容器在电路中分流不共同.终究体现在多只并联的电容器,每只的温升都不共同.单个方位的电容器温升过高,呈现焚毁的状况.因而,需求对电容器的并联运用进行合理的布线及衔接,尽量要做到均流,进步电容器的运用寿数.
四 薄膜电容器运用中的波形参阅
C3电压基波波形 （505V/300HZ） C3纹波电压波形（38V/23.3KHz）
C5谐振电流波形(Ip=84A Irms=60A ) C4吸收电容波形(Vce=581V F=19.6KHz)
总结
电磁加热设备运用领域日益增大,薄膜电容器的运用要求和电性能参数也越来越高. 本文经过对三相全桥商用电磁炉作为事例,剖析了设备内部各方位的薄膜电容器所起的效果及选型准则,留意事项等等,望能对广阔研制人员带来一些便利!
