薄膜電容器由于具有耐壓高,紋波電流大,雜散電感小,等效串聯(lián)電阻小,使用壽命長等特點(diǎn),大量使用在各種家用電器/工業(yè)設(shè)備/軍工產(chǎn)品等等上.薄膜電容器有如此多的優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際使用中,研發(fā)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略了一些細(xì)節(jié),造成薄膜電容器沒有發(fā)揮應(yīng)有的電性能及產(chǎn)品優(yōu)勢,嚴(yán)重者還會導(dǎo)致電路失常,產(chǎn)品失效等情況發(fā)生.
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.
引言：
電磁加熱設(shè)備把工頻的交流電或純直流電,通過半橋/全橋逆變技術(shù),變?yōu)楦哳l交流電(1KHz—1MHz).高頻交流電通過各種電感性負(fù)載后會產(chǎn)生高頻交變磁場.當(dāng)金屬物體處于高頻交變磁場中,金屬分子會產(chǎn)生無數(shù)小渦流. 渦流使金屬分子高速無規(guī)則運(yùn)動,金屬分子間互相碰撞、磨擦而產(chǎn)生熱能,最終達(dá)到把電能轉(zhuǎn)換為熱能的目的.電磁加熱設(shè)備在我們的工作和生活中大量的頻繁的使用.例如家用電磁爐/電磁茶爐,商用電磁爐,高頻淬火機(jī),封口機(jī),工業(yè)熔煉爐等等.本文以三相大功率商用電磁灶為例, 淺析薄膜電容器在電磁加熱設(shè)備中的應(yīng)用.
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一 ?商用電磁灶三相全橋電路拓?fù)鋱D
二 ?C1—C6功能說明
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C1/C2:三相交流輸入濾波、紋波吸收, 提高設(shè)備抗電網(wǎng)干擾的能力
C1,C2和三相共模電感組成Pi型濾波,在設(shè)備中起電磁干擾抑制和吸收的作用.該電路一方面抑制IGBT由于高速開關(guān)而產(chǎn)生的電磁干擾通過電源線傳送到三相工頻電網(wǎng)中,影響其他并網(wǎng)設(shè)備的正常使用.另一方面防止同一電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾信號通過電源線傳送到三相工頻電網(wǎng)中,影響電磁加熱設(shè)備自身的正常使用.(對內(nèi)抑制自身產(chǎn)生的干擾,對外抵抗其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾,具有雙面性) EMC=EMI+EMS
? ?在實(shí)際使用中,C1可以選擇MKP-X2型(抑制電磁干擾用固定電容器),容量范圍在3μF－10μF之間,額定電壓為275V.AC－300V.AC. 采用Y型接法,公共端懸空不接地. C2可以選擇MKP型金屬化薄膜電容器,容量范圍在3μF－10μF之間,額定電壓為450V.AC－500V.AC ,采用三角形接法.
C1和C2原則上選用的電容量越大,那么對于電磁干擾的抑制和吸收效果越好.但是電容量越大,那么設(shè)備待機(jī)時(shí)的無功電流就越大.耐壓方面要根據(jù)設(shè)備使用地域的電網(wǎng)情況而合理保留一定的余量,防止夜間用電量非常小的時(shí)候,電網(wǎng)電壓過高而導(dǎo)致電容器電壓擊穿或壽命受到一定的影響.
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C3: 整流后平滑濾波、直流支撐(DC-Link),吸收紋波和完成交流分量的回路。
C3和扼流圈L組成LC電路,把三相橋式整流后的脈動直流電變?yōu)槠交闹绷麟?供后級逆變橋及負(fù)載使用.在商用電磁灶機(jī)芯實(shí)際電路中,C3一般是由幾十微法的薄膜電容器組成.該位置的薄膜電容器其實(shí)所起的作用是直流支撐(DC-LINK),負(fù)責(zé)紋波的吸收和完成交流分量的回路,而不是很多人所認(rèn)為的(濾波).幾十微法的電容量,對于幾十千瓦的負(fù)載來說,所起到的濾波作用是非常小的,直流母線的電壓波形根本就無法變得很平滑.由于IGBT的高速開關(guān),會產(chǎn)生大量的高次諧波電流及尖峰諧波電壓.如果沒有電容器作為諧波電流和尖峰電壓的吸收,那么直流母線回路會產(chǎn)生大量的自激振蕩,影響IGBT等的安全使用及縮短壽命時(shí)間.因此,使用薄膜電容器作為直流母線紋波電壓和紋波電流的吸收是目前國內(nèi)外最常用的方法之一。
? ?C3原則上選用的電容量越大,那么吸收效果越好.但是需要注意的是電容量過大,容易導(dǎo)致設(shè)備剛合閘上電的時(shí)候,由于電容器的瞬間充電電流過大而導(dǎo)致整流橋,保險(xiǎn)管等過流擊穿.在商用電磁灶機(jī)芯里,一般的選用原則是:半橋方案(1.5μF/KW) 全橋方案(1.2μF/KW).該配置是根據(jù)常規(guī)的薄膜電容器能承受的2A/μF的設(shè)計(jì)工藝所推斷。
例如商用電磁灶半橋20KW機(jī)型,需要的C3容量是20*1.5=30μF ?C3的總紋波電流是30*2=60A ?全橋20KW機(jī)型,需要的C3容量是20*1.2=24μF（實(shí)際可取25－30μF） C3的總紋波電流是25*2=50A ?建議實(shí)際選取的電容量及電容器能允許承受的紋波電流值不能低于上述建議值。
C3位置必須要考慮電路實(shí)際需要的紋波電流值是否小于所選用的薄膜電容器能承受的總紋波電流值(還要保留一定的電流余量),否則假如電路需要60A的紋波電流,而選擇的電容器總共能承受的紋波電流只有40A,那么會導(dǎo)致薄膜電容器發(fā)熱嚴(yán)重,長期過熱運(yùn)行,大大降低薄膜電容器的使用壽命,嚴(yán)重的導(dǎo)致薄膜電容器膨脹鼓包,甚至起火燃燒.耐壓方面,一般選擇額定電壓為800－1000V.DC即可.?
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C4: IGBT的尖峰電壓/電流吸收、緩沖和抑制，防止IGBT擊穿
C4作為IGBT的開通/關(guān)斷尖峰吸收,一般用C型或者RC型接法,并接于IGBT的CE端.耐壓方面一般要根據(jù)IGBT的額定電壓來選擇,并保留一定的電壓余量.電容量方面,一般可取0.01μF－0.033μF之間,要根據(jù)電路和IGBT之間的匹配情況來選擇最適合的電容量.C4位置的電容器,必須使用dv/dt值比較大的電容器型號,使用中要注意溫升是否在允許范圍里.如使用RC型接法,需要注意R發(fā)熱量巨大,布局的時(shí)候需要R與C保留一定的空間距離,防止電容器受到過大的熱輻射.
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C5: 諧振電容器,配合負(fù)載(電感線圈、變壓器等)形成LC諧振回路.
C5作為諧振電容器,與L形成LC諧振回路,把功率輸送出去.在使用中要注意所選用的電容器額定電壓是否足夠(諧振電壓跟設(shè)備功率,負(fù)載材質(zhì),磁載率,負(fù)載到電感的距離,電路Q值等有關(guān)).如所選擇的電容器額定電壓值比實(shí)際諧振電壓值低,那么容易出現(xiàn)電容器電壓擊穿的情況.諧振電容器的電流選擇方面,最好先通過理論值計(jì)算，然后初步選擇電流值,待設(shè)備功能滿足要求后，讓設(shè)備在最大功率的時(shí)候通過測量LC回路的峰值電流/均方根值電流的實(shí)際值后再進(jìn)行調(diào)整.如果實(shí)際通過的高頻電流值比電容器的額定電流值大,那么會導(dǎo)致諧振電容器過熱運(yùn)行,長期工作容易出現(xiàn)鼓包或者炸毀,甚至是起火的情況發(fā)生.電路的諧振頻率也要在諧振電容器允許的頻率范圍內(nèi).
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C6: 直流母線吸收電容,就地吸收,緩沖和抑制IGBT開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓.
C6和C3同樣并接于直流母線的正負(fù)極上.但是由于結(jié)構(gòu)及布線回路等因數(shù)的制約,導(dǎo)致后端的IGBT遠(yuǎn)離C3電容,所以需要在后端的IGBT模塊的電源端直接鎖上一只母線吸收電容,就地吸收IGBT產(chǎn)生的紋波電壓和紋波電流.C6在選擇的時(shí)候,耐壓方面一般按照IGBT的額定電壓來選擇.盡量選擇紋波電流大,dv/dt大,雜散電感小的母線吸收電容.例如MKPH－S ?0.47μF 1μF 1.5μF 2μF等型號,額定電壓1200V.DC的吸收電容器。
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三 ?薄膜電容器選型中常出現(xiàn)的問題
A 額定電壓選擇不當(dāng)
額定電壓選擇不當(dāng),出現(xiàn)最多的地方是諧振電路部分(C5).研發(fā)人員應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的額定功率,輸入電壓,電路拓?fù)?逆變控制方式,負(fù)載材質(zhì),負(fù)載磁載率,電路Q值等參數(shù)作為綜合考慮后作初步計(jì)算.待樣機(jī)初步達(dá)到要求后,需要用示波器加高壓電壓探頭,實(shí)際測量一下設(shè)備在最大功率的時(shí)候,諧振電容器兩端的峰峰值電壓,峰值電壓,均方根值電壓,諧振頻率等參數(shù),用來判定所選擇的諧振電容器型號及參數(shù)是否正確.
B 額定電流選擇不當(dāng)
額定電流選擇不當(dāng),出現(xiàn)最多的地方是C3(直流支撐)和C5(諧振)部份.實(shí)際需要的電流值如果比電容器允許通過的電流值大,那么會造成電容器發(fā)熱嚴(yán)重,長期高溫工作,導(dǎo)致電容器壽命大大降低,嚴(yán)重的會炸毀甚至是起火燃燒.在設(shè)備研發(fā)中,可以通過專用的電流探頭或其他方式,測量一下實(shí)際需要的峰值電流，均方根值電流,然后調(diào)整電容器的參數(shù).最終可通過設(shè)備在滿功率老化測試中,測量一下電容器的溫升,根據(jù)電容器的溫升允許參數(shù)來判定電容器的選擇是否恰當(dāng).（電流測量及溫升情況來綜合評定）
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C 接線方式不當(dāng)
接線方式不當(dāng),主要出現(xiàn)在電容器多只并聯(lián)使用中.由于接線方式,走線距離不一致等因數(shù),導(dǎo)致每只并聯(lián)的電容器在電路中分流不一致.最終體現(xiàn)在多只并聯(lián)的電容器,每只的溫升都不一致.個(gè)別位置的電容器溫升過高,出現(xiàn)燒毀的情況.因此,需要對電容器的并聯(lián)使用進(jìn)行合理的布線及連接,盡量要做到均流,提高電容器的使用壽命.
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四 薄膜電容器使用中的波形參考
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? C3電壓基波波形 （505V/300HZ） ? ? ? C3紋波電壓波形（38V/23.3KHz）
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C5諧振電流波形(Ip=84A ?Irms=60A ) ? ?C4吸收電容波形(Vce=581V F=19.6KHz)
總結(jié)
電磁加熱設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域日益增大,薄膜電容器的使用要求和電性能參數(shù)也越來越高. 本文通過對三相全橋商用電磁爐作為案例,分析了設(shè)備內(nèi)部各位置的薄膜電容器所起的作用及選型原則,注意事項(xiàng)等等,望能對廣大研發(fā)人員帶來一些方便!