摘 要

如今高性能功率变换器系统的发展趋势和要求是体积小、重量轻、效率高、成本低以及可靠性高，其对电力电子变换器中体积大、可靠性低的DC-link电容提出了高性能的需求。DC-link电容模组由一种或者多种电容混合构成，可以充分发挥不同种类电容的优点。根据系统要求来构造DC-link电容器模组，可能存在多种设计方案，从热设计的角度分析比较每种方案的优缺点，通过电-热仿真比较得到最佳方案。

本文主要研究如下：

（1）查阅大量相关文献，对比分析不同种类电容器的特点，并对电容的失效机理和寿命预测进行分析；

（2）对单相全桥逆变器进行参数设计，分析单相变换器DC-link无源电容解耦原理；

（3）设计基于全桥逆变器的DC-link电容模组。建立DC-link电容模组热模型，通过仿真分析模组的热特性；

（4）按照不同的优化目标，设计出几种DC-link电容模组方案，比较各方案的适用场合和优缺点，给出结论。

考虑DC-link电容在设计阶段满足电特性要求的基础上，构造考虑电-热影响的DC-link电容模组方案，对目前DC-link电容模组的多目的优化、多场合运用有重要指导意义。

关键词：单相逆变器；DC-link电容模组；电-热仿真

Abstract

Nowadays, the development trend and requirement of high performance power converter system are small size, light weight, high efficiency, low cost and high reliability. It puts forward high performance requirements for DC-link capacitors with large volume and low reliability in power electronic converters. DC-link capacitor module is composed of one or more capacitors, which can give full play to the advantages of different capacitors. There may be many design schemes for DC-link capacitor module according to the system requirements. The advantages and disadvantages of each scheme are analyzed and compared from the point of view of thermal design, and the best scheme is obtained through the comparison of electrical-thermal simulation.

This essay mainly studies as follows:

(1) By consulting a large number of relevant literatures, the characteristics of different types of capacitors are compared and analyzed, and the failure mechanism and life prediction of capacitors are analyzed;

(2) The parameters of single-phase full-bridge inverter are designed, and the DC-link passive capacitor decoupling principle of single-phase converter is analyzed;

(3) Design DC-link capacitor module based on full-bridge inverter. The thermal model of DC-link capacitor module is established, and the thermal characteristics of the module are analyzed by simulation;

(4) According to different optimization objectives, various DC-link capacitor module schemes are designed, and the application occasions, advantages and disadvantages of each scheme are compared, and the conclusions are given.

Considering that DC-link capacitor meets the requirements of electrical characteristics at the design stage, a DC-link capacitor module scheme considering electrical-thermal effects is constructed, which has important guiding significance for multi-purpose optimization and multi-occasion application of DC-link capacitor module.

Key Words： Single-phase Inverter; DC-link Capacitor Module; Electric-thermal Simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究理论基础 1

1.2.1 电容器可靠性研究 1

1.2.2 单相变换器DC-link研究 3

1.3 DC-link无源电容模组研究现状 4

1.3.1 DC-link电容模组研究现状 4

1.3.2 DC-link无源电容模组热设计研究现状 4

1.4 本文主要研究内容 5

第2章 含DC-link无源电容的单相逆变器设计 7

2.1 单相逆变器功率解耦原理 7

2.2 关键模块建模与参数设计 8

2.2.1 逆变桥设计 8

2.2.2 SPWM调制方法 9

2.2.3 LC滤波器设计 10

2.3 本章小结 11

第3章 DC-link无源电容模组设计与仿真 12

3.1 DC-link无源电容参数设计 12

3.1.1 DC-link无源电容总容值推导 13

3.1.2 参数设计仿真验证 14

3.2 DC-link无源电容热分析 18

3.2.1 DC-link电容热模型损耗分析 18

3.2.2 冷却方式设计 18

3.3 DC-link无源电容模组设计 19

3.3.1 初始方案设计 19

3.3.2 初始方案仿真结果与分析 20

3.3.2.1 技术指标验证 22

3.3.2.2 热模型仿真 25

3.4 本章小结 26

第4章 DC-link无源电容模组优化 27

4.1 优化方案1 27

4.1.1 方案简述 27

4.1.2 仿真结果与分析 28

4.2 优化方案2 32

4.2.1 方案简述 32

4.2.2 仿真结果与分析 33

4.3 优化方案3 35

4.3.1 方案简述 35

4.3.2仿真结果与分析 36

4.4 方案分析与比较 38

4.5 本章小结 39

第5章 总结与展望 41

5.1 总结 41

5.2 展望 41

参考文献 42

致 谢 44

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，其诞生于晶闸管产生的1957年，经过半个多世纪，电力电子技术取得了迅猛的发展，是电气工程领域最为活跃的分支^[1]。近年来，我国经济飞速发展，作为涉及范围覆盖到国民经济、社会发展方方面面的电力电子技术领域，其创新发展更是达到了一个前所未有的新高度。“节约资源和保护环境”是我国长期赖以发展的国策，在绿色引领发展的大背景下，开展电力电子领域的相关研究，是十分重要且必要的。

电容器是电气装置和电子电路中最简单的无源元件之一。作为电力电子电路中必不可少的元件，对各类型电容器的可靠性要求逐步提高。如今，高性能功率变换器系统的发展趋势和要求是体积小、重量轻、效率高、成本低以及可靠性高^[2]，其对电力电子变换器中体积大、可靠性低的DC-link电容提出了高性能的需求。作为电力电子变换器中最薄弱的器件之一，其故障率约占整体的20%^[3]，正因为如此，DC-link电容的可靠性极大地影响电力电子装置的综合性能，是电力电子装置高功率密度、高效率、高可靠性和低成本发展目标的重要阻碍^[4]。

在当前发展背景下，单一电容器作为DC-link电容已经远远不能满足功率变换器需求，多个电容器组成电容模组是当下最主要应用方式。同时，热失效是电力电子元件的主要损毁原因，电容模组的选型和排布会影响设备发热量，同时使得元件之间互相影响的程度随之加深，故针对DC-link电容模组的热效应分析十分必要。在不同应用场景和应用约束下，精确量化分析DC-link电容模组热失效、热应力可靠性，构造考虑电-热影响下的DC-link电容模组，在电-热仿真中通过对不同类型电容器的排列组合，得到不同方案的电容模组，进行最优选择。这对DC-link电容模组的高性能、长寿命工作有着至关重要的意义，间接性促进高性能功率变换器系统的发展。

1.2 研究理论基础

1.2.1 电容器可靠性研究

功率变换器发生故障的原因主要是由于功率半导体器件和DC-link电容的失效，占总体的一半以上，所以针对DC-link电容的可靠性研究是相当必要的。通常DC-link电容主要有铝电解电容、薄膜电容以及陶瓷电容三种类型，三种类型电容的耐电流纹波能力和电-热特性主要由介电材料的性质决定^[5]。

薄膜电容器就是金属化薄膜电容器，其采用微米级厚度的聚合物薄膜作为储能介质，电极采用纳米级厚度的蒸镀金属镀在储能介质表面^[6]。施加电压时，在储能介质存在缺陷的情况（生产过程中引入）下，该缺陷点会被击穿，击穿产生的能量会使得该缺陷点附近的蒸镀金属蒸发，并因此隔离该缺陷点起到保护作用，这种现象被称作自愈。这种自愈性能使得薄膜电容器工作电压明显提升，继而储能密度得到显著提升^[7]。电解电容器就是使用氧化铝作为电介质，目前是技术最为成熟的电容器，具有电容能量密度高和每焦耳成本低的优势。但是由于加工技术的原因，电解电容器中使用的铝箔无法达到微米级甚至纳米级的厚度，使其无法达到高电压的使用要求，同时与薄膜电容器相比，电解电容器ESR（等效串联电阻）较高、耐纹波电流能力较差、体积较大（同等电压水平下呈约4倍关系）^[8]，并且在使用过程中产生大量损耗，降低系统效率，产生的热量会使得电解电容内部核温上升，导致电解液的挥发，使容值降低，ESR增大，进一步加剧了这一不利反应。这一问题使其老化较快，寿命上不占优势。随着技术上的发展，薄膜电容器的成本不断降低，而在性能上又整体优于电解电容器，故在未来DC-link电容的应用当中，薄膜电容器将是主流选择^[9]。近年来，随着陶瓷电容器在高压应用领域的技术突破，不少大功率变换器使用陶瓷电容器进行滤波、支撑等，但陶瓷电容器仍然受制于过高的成本和机械灵敏度，应用前景较为可观。

铝电解电容能量密度高和每焦耳成本低，但具有比较高的ESR、低耐纹波电流能力以及由于电解质蒸发的老化问题；陶瓷电容尺寸小、频率范围宽和工作温度高，然而它成本高和机械灵敏度高；薄膜电容在成本、ESR、容量、纹波电流能力以及电压应力等方面具有优势，但它有体积大和工作温度不太高等缺点，而且薄膜电容在潮湿环境下同样存在可靠性问题^[10]。

图1.1 电容器老化曲线图

如图1.1所示，电容器的老化情况可以由电容的容值和ESR的关系来表示，当容值降低到时，或者ESR升高到时，如若电容器继续工作则两项指标会发生剧烈变化，严重影响器件甚至系统的性能。故为保证系统稳定运行，该时刻就定为电容器的寿命结束时刻^[11]。通常来说，电解电容、薄膜电容、陶瓷电容的失效判断机理为容值降低20%、5%、10%，或ESR升高2倍、3倍、2倍^[12]。

电容失效是由许多原因造成的，例如陶瓷电容质地较脆，震荡也是影响寿命的关键因素，但几乎所有类型电容损坏的主要原因是日常疲劳损耗和过应力，温度和电压是影响电容寿命的关键因素^[13]。由于电容热容很大，温度变换缓慢，目前电容失效过程的数学模型仍然处于研究阶段，大多数研究中使用经验模型来表征电容的寿命，如下式^[14]：

(1.1)

在上述模型中，L为电容在工作当中使用的寿命、V为电容器的工作电压、T为电容器工作期间的开尔文温度；同时，、、为电容器在厂家制造时，通过加速老化实验测量的寿命、电压和温度，这些数据在电容器配套的说明书中可以得到；n为电容器电压加速因数，对于电解电容n=3~5，薄膜电容n=7~9。

1.2.2 单相变换器DC-link研究

由于单相整流器或者逆变器中，存在直流侧和交流侧瞬时脉动功率不平衡问题，使得交流侧二倍频脉动功率传播到直流侧，产生二倍工频纹波电流，影响单相电力变换系统的工作性能，甚至对系统安全、稳定运行造成威胁。

在本研究中，选取单相全桥逆变器作为单相变换器的研究实例。逆变器是把直流电转化成交流电的设备，当直流电作为逆变器的供电电源时，需要直流母线与逆变器连接，这种供电方式称为DC-link^[15]。由于逆变器需要DC-link获取峰值和有效值都很高的脉动电流，为了逆变器不会因此而承受过高的脉动电压，需要利用电容器对DC-link进行支撑，吸收大幅值脉动电流（以二倍工频纹波电流为主），阻止产生大幅值脉动电压，使得直流母线的电源电压波动保持在允许范围，实现这种功能电容器即DC-link电容器（直流支撑电容器）^[6]。

目前，单相逆变器的功率解耦方式是多种多样的，本研究中主要探讨无源功率解耦。传统无源功率解耦主要是运用电解电容器模组，其优点是较高的能量密度和较低的成本，同时其缺点也十分明显：由于电解电容ESR较大，当低频纹波电流流经电解电容时，会产生大量损耗，不利于变换器效率提高，同时损耗产生的热量会使得电解电容内部核温缓慢上升，导致电容器中的电解液在工作过程中缓慢挥发，降低了电容容值，继而增大ESR，成为一个对使用寿命危害极大的恶性循环。

1.3 DC-link无源电容模组研究现状

单一电容器元件作为DC-link电容已经远远不能满足功率变换器需求，多个电容器组成电容模组是当下是主要应用方式，它可以充分利用不同种类电容的优点。DC-link电容模组中，有的采用薄膜电容代替电解电容来改善系统可靠性^[16]；有的采用电解电容和薄膜电容并联、电解电容和陶瓷并联电容以便发挥各自优点。

1.3.1 DC-link电容模组研究现状

影响DC-link电容模组高性能工作的因素有很多，最主要的就是电、热、磁三物理场相互耦合，相互影响：电场产生大量焦耳热使温度上升，而温变的材料属性改变电场；电容的布局布线改变电路寄生参数，影响电路系统的电磁兼容，进而影响电容和开关管的电压应力。故在DC-link电容工作时，电热应力与电磁场之间的相互影响制约着DC-link电容性能^[17]。为了减少不利因素，同时为了使模组能够在不同的工况下运行，使用不同种类的电容进行串并联混合使用，改变布局和互联技术，使得各类电容之间取长补短，发挥各自的优点来构造各种DC-link电容模组方案。本研究中主要考虑电-热物理场下的DC-link电容模组建立。

在文献[18][19]中，基于电力电子系统长期运行工况，从电容的老化以及失效机理出发，结合各类电容器的电、热特性等，对电容可靠性和寿命进行研究，建立电容可靠性模型以及考虑可靠性的成本模型，对高性能DC-link电容模组方案中效率-功率密度-可靠性等多目标优化设计有巨大借鉴意义。目前，各国在新能源领域的研究日新月异，故针对应用在光伏变换器、风电变流器中的DC-link电容模组研究较为成熟。文献[20]在不同运行工况下，精确建立了光伏变换器中DC-link电容瞬态模型，对基于长时间尺度任务剖面的DC-link电容可靠性进行了评估。

作为电力电子装置中的重要环节，DC-link电容模组的效率、功率密度、可靠性以及成本之间的关系是相互耦合、相互制约，甚至有一定的矛盾^[21]。所以从DC-link电容模组的材料特性、工作机理以及失效机理出发，精确的量化影响DC-link性能的各因素，建立DC-link电容模组可靠性评估模型、建立考虑可靠性的成本模型、功率密度模型等，是目前DC-link电容模组领域的研究热点。

1.3.2 DC-link无源电容模组热设计研究现状

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