浅析薄膜电容器在电磁加热设备中的应用
摘要：
薄膜电容器由于具有耐压高,纹波电流大,杂散电感小,等效串联电阻小,使用寿命长等特点,大量使用在各种家用电器/工业设备/军工产品等等上.薄膜电容器有如此多的优点,但在实际使用中,研发设计人员经常忽略了一些细节,造成薄膜电容器没有发挥应有的电性能及产品优势,严重者还会导致电路失常,产品失效等情况发生.
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：
电磁加热设备把工频的交流电或纯直流电,通过半桥/全桥逆变技术,变为高频交流电(1KHz—1MHz).高频交流电通过各种电感性负载后会产生高频交变磁场.当金属物体处于高频交变磁场中,金属分子会产生无数小涡流. 涡流使金属分子高速无规则运动,金属分子间互相碰撞、磨擦而产生热能,最终达到把电能转换为热能的目的.电磁加热设备在我们的工作和生活中大量的频繁的使用.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应用.
一 商用电磁灶三相全桥电路拓扑图
二 C1—C6功能说明
C1/C2:三相交流输入滤波、纹波吸收, 提高设备抗电网干扰的能力
C1,C2和三相共模电感组成Pi型滤波,在设备中起电磁干扰抑制和吸收的作用.该电路一方面抑制IGBT由于高速开关而产生的电磁干扰通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使用.另一方面防止同一电网中其他设备产生的电磁干扰信号通过电源线传送到三相工频电网中,影响电磁加热设备自身的正常使用.(对内抑制自身产生的干扰,对外抵抗其他设备产生的干扰,具有双面性) EMC=EMI+EMS
在实际使用中,C1可以选择MKP-X2型(抑制电磁干扰用固定电容器),容量范围在3µF－10µF之间,额定电压为275V.AC－300V.AC. 采用Y型接法,公共端悬空不接地. C2可以选择MKP型金属化薄膜电容器,容量范围在3µF－10µF之间,额定电压为450V.AC－500V.AC ,采用三角形接法.
C1和C2原则上选用的电容量越大,那么对于电磁干扰的抑制和吸收效果越好.但是电容量越大,那么设备待机时的无功电流就越大.耐压方面要根据设备使用地域的电网情况而合理保留一定的余量,防止夜间用电量非常小的时候,电网电压过高而导致电容器电压击穿或寿命受到一定的影响.
C3: 整流后平滑滤波、直流支撑(DC-Link),吸收纹波和完成交流分量的回路。
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平滑的直流电,供后级逆变桥及负载使用.在商用电磁灶机芯实际电路中,C3一般是由几十微法的薄膜电容器组成.该位置的薄膜电容器其实所起的作用是直流支撑(DC-LINK),负责纹波的吸收和完成交流分量的回路,而不是很多人所认为的(滤波).几十微法的电容量,对于几十千瓦的负载来说,所起到的滤波作用是非常小的,直流母线的电压波形根本就无法变得很平滑.由于IGBT的高速开关,会产生大量的高次谐波电流及尖峰谐波电压.如果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产生大量的自激振荡,影响IGBT等的安全使用及缩短寿命时间.因此,使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目前国内外最常用的方法之一。
C3原则上选用的电容量越大,那么吸收效果越好.但是需要注意的是电容量过大,容易导致设备刚合闸上电的时候,由于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,一般的选用原则是:半桥方案(1.5µF/KW) 全桥方案(1.2µF/KW).该配置是根据常规的薄膜电容器能承受的2A/µF的设计工艺所推断。
例如商用电磁灶半桥20KW机型,需要的C3容量是20*1.5=30µF C3的总纹波电流是30*2=60A 全桥20KW机型,需要的C3容量是20*1.2=24µF（实际可取25－30µF） C3的总纹波电流是25*2=50A 建议实际选取的电容量及电容器能允许承受的纹波电流值不能低于上述建议值。
C3位置必须要考虑电路实际需要的纹波电流值是否小于所选用的薄膜电容器能承受的总纹波电流值(还要保留一定的电流余量),否则假如电路需要60A的纹波电流,而选择的电容器总共能承受的纹波电流只有40A,那么会导致薄膜电容器发热严重,长期过热运行,大大降低薄膜电容器的使用寿命,严重的导致薄膜电容器膨胀鼓包,甚至起火燃烧.耐压方面,一般选择额定电压为800－1000V.DC即可.
C4: IGBT的尖峰电压/电流吸收、缓冲和抑制，防止IGBT击穿
C4作为IGBT的开通/关断尖峰吸收,一般用C型或者RC型接法,并接于IGBT的CE端.耐压方面一般要根据IGBT的额定电压来选择,并保留一定的电压余量.电容量方面,一般可取0.01µF－0.033µF之间,要根据电路和IGBT之间的匹配情况来选择最适合的电容量.C4位置的电容器,必须使用dv/dt值比较大的电容器型号,使用中要注意温升是否在允许范围里.如使用RC型接法,需要注意R发热量巨大,布局的时候需要R与C保留一定的空间距离,防止电容器受到过大的热辐射.
C5: 谐振电容器,配合负载(电感线圈、变压器等)形成LC谐振回路.
C5作为谐振电容器,与L形成LC谐振回路,把功率输送出去.在使用中要注意所选用的电容器额定电压是否足够(谐振电压跟设备功率,负载材质,磁载率,负载到电感的距离,电路Q值等有关).如所选择的电容器额定电压值比实际谐振电压值低,那么容易出现电容器电压击穿的情况.谐振电容器的电流选择方面,最好先通过理论值计算，然后初步选择电流值,待设备功能满足要求后，让设备在最大功率的时候通过测量LC回路的峰值电流/均方根值电流的实际值后再进行调整.如果实际通过的高频电流值比电容器的额定电流值大,那么会导致谐振电容器过热运行,长期工作容易出现鼓包或者炸毁,甚至是起火的情况发生.电路的谐振频率也要在谐振电容器允许的频率范围内.
C6: 直流母线吸收电容,就地吸收,缓冲和抑制IGBT开关时产生的尖峰电压.
C6和C3同样并接于直流母线的正负极上.但是由于结构及布线回路等因数的制约,导致后端的IGBT远离C3电容,所以需要在后端的IGBT模块的电源端直接锁上一只母线吸收电容,就地吸收IGBT产生的纹波电压和纹波电流.C6在选择的时候,耐压方面一般按照IGBT的额定电压来选择.尽量选择纹波电流大,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等型号,额定电压1200V.DC的吸收电容器。
三 薄膜电容器选型中常出现的问题
A 额定电压选择不当
额定电压选择不当,出现最多的地方是谐振电路部分(C5).研发人员应该根据设备的额定功率,输入电压,电路拓扑,逆变控制方式,负载材质,负载磁载率,电路Q值等参数作为综合考虑后作初步计算.待样机初步达到要求后,需要用示波器加高压电压探头,实际测量一下设备在最大功率的时候,谐振电容器两端的峰峰值电压,峰值电压,均方根值电压,谐振频率等参数,用来判定所选择的谐振电容器型号及参数是否正确.
B 额定电流选择不当
额定电流选择不当,出现最多的地方是C3(直流支撑)和C5(谐振)部份.实际需要的电流值如果比电容器允许通过的电流值大,那么会造成电容器发热严重,长期高温工作,导致电容器寿命大大降低,严重的会炸毁甚至是起火燃烧.在设备研发中,可以通过专用的电流探头或其他方式,测量一下实际需要的峰值电流，均方根值电流,然后调整电容器的参数.最终可通过设备在满功率老化测试中,测量一下电容器的温升,根据电容器的温升允许参数来判定电容器的选择是否恰当.（电流测量及温升情况来综合评定）
C 接线方式不当
接线方式不当,主要出现在电容器多只并联使用中.由于接线方式,走线距离不一致等因数,导致每只并联的电容器在电路中分流不一致.最终体现在多只并联的电容器,每只的温升都不一致.个别位置的电容器温升过高,出现烧毁的情况.因此,需要对电容器的并联使用进行合理的布线及连接,尽量要做到均流,提高电容器的使用寿命.
四 薄膜电容器使用中的波形参考
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
电磁加热设备应用领域日益增大,薄膜电容器的使用要求和电性能参数也越来越高. 本文通过对三相全桥商用电磁炉作为案例,分析了设备内部各位置的薄膜电容器所起的作用及选型原则,注意事项等等,望能对广大研发人员带来一些方便!
