2019年1月Power Electronics January2019三电平逆变器电解电容损耗与可靠性研究 李健瑞，陈权，胡存刚，陈敏
(安徽大学，电气工程与自动化学院，安徽合肥230601)
摘要：三电平逆变器在高压大功率场合具有广泛应用。其中，直流母线电解电容在逆变器中起着关键的作用。 电容所承受的纹波电流影响电容的发热和寿命。这里通过对同相载波调制方式下电解电容的纹波电流表达式进行分析，从而分析三电平逆变器中电解电容的可靠性。最后通过仿真和实验验证了纹波电流表达式的有效性并为三电平逆变器电容的损耗和可靠性研究奠定基础。 关键词：三电平逆变器；纹波电流；损耗；电解电容
中图分类号:TM464文献标识码：A文章编号:1000-100X(2019)01-0107-03
Research on Losses and Reliability of Electrolytic Capacitor
in Three-level Inverter
LI Jian-rui,CHEN Quan,HU Cun-gang,CHEN Min
(Anhui University,Hefei230601,China)
型采
Abstract:Three-level inverter is widely used in high voltage and high power situations.The electrolytic capacitor of the direct current link plays an important role in the inverter.The capacitor heat and life are affected by the ripple current on the capacitor.The expression of the ripple current of electrolytic capacitors under the mode of the phase disposition carrier modulation is analyzed.The reliability of the capacitor in three level inverter is also analyzed.
Finally,the validity of the expression is verified by simulation and experiment,and it lays the foundation of the research of capacitance and losses of three level inverter.
Keywords:three-level inverter；ripple current；losses；electrolytic capacitor
Foundation Project:Supported by Natural Science Foundation of Anhui Province(No.1808085ME113)
1引言
在中、高压应用场合，三电平逆变器受到广泛关注。其利用电容电压来合成阶梯波形，使得电压、电
流畸变减小。三电平逆变器直流母线电容在稳态时存在较大的纹波电流，对电解电容的可靠性有很大影响，这一点对变流器电解电容的设计具有十分重要的意义。
对于电容损耗与可靠性研究，已经提出了一些分析方法。文献［1］基于铝电解电容疲劳损伤机理出发，根据累积损伤理论进行疲劳损伤估计，以各纹波电流情况下的损伤度累积迭代求和。但未给出纹波电流的具体表达式。文献［2］通过对三相两电平逆变器电容纹波的抑制，为减小电容器的体积和实际工程设计提供良好依据。文献［3］对逆变器中功率器件的损耗与可靠性进行详细分析，但未对电解电容的损耗和可靠性进行分析。
基金项目：安徽省自然科学基金(18O8O85ME113)
定稿日期:2018-03-29
作者简介：李健瑞(1993-)，男，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为电力电子、电容可靠性。
这里对三电平逆变器在同相载波调制方式下的直流母线纹波电流进行分析，并对纹波电流表达式仿真。进而为电解电容的损耗和可靠性的研究提供参考依据。最后，搭建实验平台进行实验验证。2电解电容等效模型
2.1等效电路模型
图1为电解电容等效电路模型⑷。
£Res Les
0----------II-------------□-----------------------------O
C为等效电容；为等效串联电阻；C“为等效电感。
图1电解电容等效电路模型
Fig.1Equivalent circuit model of electrolytic capacitor 2.2等效热路模型
利用电工参数代替热学参数，电解电容等效热路模型与其等效电路模型相对应。等效热路模型如图2所示。
毛r s°—百
Pg为电容功率损耗；人为内核温度分别为内部电解质与外壳之间，以及外壳与外部环境之间的热阻；7；为环境温度。
图2电解电容等效热路模型
Fig.2Equivalent thermal circuit model of electrolytic capacitor
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2019年1月Power Electronics January2019
3电解电容损耗计算
3.1损耗计算
在变流器工作过程中，可以通过直流母线电容器纹波电流来分析电容损耗。
N
Pg=Y/Cnn/es(1)
A=1
式中：/s.为电容纹波电流有效值;N为电容纹波电流的采样时间序列点数量。
依据电解电容等效热路模型，电容内核温度可以表示为：
Tr=Paa«(Rthl+Rth2)+Ta(2) 3.2纹波电流计算
图3为三电平逆变器拓扑问。直流侧输入电流为必，流过电容Gt的纹波电流分别为i a和i ao
2S ZSVDel
J vd c2
Fig.3Topology of three-level inverter
根据调制规则并结合图3,ip为流过V^V q 和V q的总电流。设/o为负载相电流峰值，假设负载为平衡线性负载,i a,i b,i c为负载电流。
对C，纹波电流进行分析，C2的纹波电流计算原理与G相同。流经G的有效值A；™，可用必的有效值/呻及直流分量4来表示：
心皿如2(3)图4为载波和调制波示意图。在一个周期内被分为A-C共3个相等的部分，每个大区间120。。逆变器上半桥臂的开关状态由调制波与上半部分的载波相比较得到。
图3三电平逆变器拓扑
以区域A的子区域1为例(图5)，每半个开关周期分为3个时间段T°,Ti和T2：
7o=(TJ4)[1-Msinst]
*T]=(Ts/4)M[sirwt-sin(3/+21173)](4)
爲二("4)[l+sin(3+27T/3)]
式中：M为调制度;®为角频率。压力容器安全阀
图5子区间区域1分析图
Fig.5Analysis chart of subinterval region1对于逆变器输入电流，在不同子区间值不同:
0,toWS
，a+ic,
£3W£W/4
(5)
ia,£4W f W/5
0,弩的结构图
根据平均值和有效值的定义:
N
7-adca
4»avg-rp^r^pTn,
■*s n=l
(6)
所以在子区域1的一个开关周期内，必的平均值和有效值分别为：
簇绒机心=⑵A)[也+亿+Q陆⑵TJ阿-偶]
1=⑵7；)(的+咖
在2tt/3周期内，/叽和人可以表示为:
it/3p2tx/3
ir/6J tt/3
2ir/35it/6
2W3/吨⑴〃[3/(2“)]二(3/4)M/ocos®
pavg"
•n/3(2it/3f5-n/6
i^tydt+
106i u/3J2n/3
V3/(2tt)=/0V[V r3_/(4TT)]M(cos2<l P+l/4)
(8)式中：/。为相电流幅值。
对于所设计的电解电容，希望绝大部分纹波分量由电容吸收，将式(8)代入式(3)：
I^/oV(M/2)[V T/(2tt)+(2V T/tt-9M/8)cos V]
(9)式中呻为功率因数角。
图6示出三电平逆变器的电容纹波电流标幺值/(基准值为厶)与9和M的关系。从图中可以看出，/与M及卩有关。M在电容纹波电流中起着主要作用，M不仅影响着/，而且影响负载的相电流幅值/oo
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三电平逆变器电解电容损耗与可靠性研究
图6/与卩和M的关系
Fig.6Relationship between/and(p,M 产生脉动电流，所以在设计直流母线电容时，寄生电感也是非常重要的因素。
//(10ms/格)
(a)A/=0.7
nnnrFin rTTirWl
4仿真与实验图9不同M的纹波电流4.1仿真分析
搭建如图3所示三电平逆变器仿真模型，主
要仿真参数为：直流电压200V,C,=C2=4700|xF,
滤波电感厶=1mH。分别在不同M和不同<p(<p=0°,
卩=30。,<p=45。和卩=75。)的情况下对电解电容纹波
电流有效值进行仿真。仿真结果如图7所示。
3.5[-竺匹------
2C一"二理4f----------
2—
1.5—----------
4.60.70.80.91
M
图7仿真结果
Fig.7Simulation results
由图可见，负载功率因数越低，电容纹波电流
有效值越低。电解电容的纹波电流同时也受负载
电流的影响较大。
4.2可靠性分析
电解电容可靠性受电应力和热应力共同影
响。电应力的影响表现为电解电容所承受的电压
应力和电流应力。热应力表现为铝电解电容发热
所引起的损耗。建立图8电容可靠性评估流程图。
|数据收集|
J,I J
|等效电'路模型|■■如T等效热'路模型| |电容器所.受电荡]|电容器所.受热应力|
|寿命模型| |可靠性评估|
图8电容可靠性评估流程图
Fig.8Flowchart of capacitance reliability assessment 4.3实验验证
搭建三电平逆变器实验平台。直流电压30V, C,=C2=4700“F，逆变器输出频率50Hz，负载功率1kW,M为0.7/0.9。测试电容采用RMHCG-FA。
图9为M为0.7和0.9时所测纹波电流。由图9可知，由于纹波电流受负载电流幅值和M的双重影响,M=0.9时的纹波电流有效值较大。对于图中纹波电流脉动的成分，有一部分是由于电容中含有寄生电感，会在开关管的开通和关断瞬间
Fig.9The ripple current of different M
电解电容损耗可通过发热来确定，通过红外线热成像仪对电解电容发热进行测量，由测量结果可以看出，在M=0.9的情况下电解电容发热较为严重，损耗较大。与之前仿真和实验结果吻合。5提高电解电容可靠性方法
根据前述内容，提高电解电容的寿命主要从以下几方面考虑:①选取合适的电容型号，从而使电容的工作电压和工作电流处于允许的安全裕量区域内；②改善电容的散热环境。如将两个电容之间的空间距离合理布置；在电容之间增加散热装置；③将电容远离热源；④在允许的情况下，减小电容的纹波电流。
6结论
首先阐述了电解电容的等效电路模型和等效热路模型。然后分析电解电容的纹波电流表达式。实验结果验证了表达式的正确性。最后提出了提高电解电容可靠性的方法。研究结果为电解电容的选型和寿命预测提供一定的参考依据，同时也为电容的可靠性研究奠定基础。
参考文献
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