直流链路：在电流大战中找到和平

简介：直流链路及其在高效电源转换中的作用

随着全球越来越具有能源意识，并且为了帮助保护环境和提高生活水平，而正在向高科技领域转变，电力电子技术成为电能高效转换、调理和控制的关键。

电费的不断上升，使支持智能速度控制的变频电机驱动器在不断增长的各种应用中变得更具成本效益。这类驱动器不仅降低了整体功耗，而且还有助于降低可闻噪声，而使设计人员能够在家用电器和空调等产品中实现新的特性与功能。

精确的电机转速控制也是创新工业自动化和无人机和电动汽车(EV)等新兴产品类别的关键推动力。它们正在推动令人兴奋的市场发展，并且对于电动汽车来说，也在帮助世界从内燃机排放当中解放出来。

电子控制逆变器是变频驱动器的重要组成部分。其对于将风能和太阳能等可再生能源的清洁、高质量电能以合适的电源频率输送给智能电网也至关重要。

为了获得最佳的可靠性和电能质量，逆变器需要在其输入端提供一个干净、稳定的直流电压。这个责任落在了系统电源和逆变器输入之间的直流链路上。电源对于电器或工业机器来说，可能是交流线路，或者是能量回收系统或风力涡轮机中发电机的输出：这个交流电的频率通常不适合向电网输送，并且具有很大不期望的谐波含量。

电源波形通常使用标准或受控桥式整流器进行全波整流——该整流器产生的直流电压波形是输入频率的2倍，输入幅度的一半并且具有大量电压纹波。直流链路必须对这个噪声波形进行滤波和平滑处理，来为逆变器提供所需的清洁、稳定的直流输入。图1给出了将原始交流电源以受控频率转换为高质量交流电所涉及的电力电子功能。

图1：在采用逆变器转换成受控交流电之前，先要经过交直流转换，然后是直流链路中的电容滤波。

实际上，直流链路是一个储能和滤波网络，它必须使纹波尽可能减小，并使输出电压尽可能保持接近原始整流输入的峰值(图2)。

电容是实现这一目标的关键要素。按以下公式计算，所需的电容取决于负载功率、整流器频率、工作电压和最大允许电压纹波：

表1给出了使用该公式计算出的电容值的示例值——假设最大直流电压为400V，最大允许纹波为10%。

表1：所需的直流链路电容取决于整流器频率和负载功率。

面向直流链路应用的电容器技术

薄膜电容器或电解电容器一直是直流链路应用中最常用的电容器。理想性能包括高电压能力(可将高压直流总线所需串联电容器的数量尽可能减小)、避免内部过热的低耗散因数(DF)，以及将直流输出电压的过冲和振铃尽可能减小的小电感。电容选择也取决于环境工作温度和尺寸限制等环境因素。

电解电容器可以提供与其尺寸相关的大电容和成本的强大组合，非常适合于中等功率的应用。典型的性能趋势包括负温度系数的等效串联电阻(ESR)，即在温度下降时，其值倾向于增加。另一方面，电解电容器的电容在温度下降时则倾向于下降。

聚丙烯薄膜电容器与其尺寸有关，具有很高的纹波电流能力，因而使其非常适合于大功率应用。此外，由于ESR和电容等参数对温度相对不敏感，因此设计人员通常更喜欢选择薄膜电容器用于各种应用和环境中的直流链路。

直流链路设计的新趋势需要选用新的电容器

逆变器设计的最新趋势正走向更高的工作频率，以及碳化硅或氮化镓FET和二极管等宽带隙(WBG)半导体的使用。这些器件可以在比传统硅半导体器件更高的电压下工作，也可以承受更高的温度而不影响到可靠性。宽带隙器件倾向于用于亟需最大限度提高能效的高端应用，例如可再生能源发电、电动汽车和充电器等。

与宽带隙半导体器件相关的更高的开关频率、更高的直流链路电压以及更高的工作温度，要求有不同的电容特性。开关频率提高意味着直流总线中所需的电容减小，而最大的工作电压和温度能力则必须提高。另一方面，低等效串联电感(ESL)、低ESR和低损耗因数的需求仍然非常迫切。

由于所需电容减小，因此设计人员可以利用片式多层陶瓷电容器(MLCC)来获得MLCC在宽温度范围内出色的稳定性以及可承受较高的最高工作温度的优势。同时，MLCC采用小型表贴外壳封装，因此具有很高的机械稳定性，并能够承受大量的电路板弯曲。

基美电子(KEMET)的贱金属镍电极MLCC的特性，非常适合用于直流链路。C0G器件采用特殊的顺电锆酸钙基陶瓷介质，具有出色的温度稳定性，可实现低ESR、ESL和DF。

相比之下，MLCC包含PLZT(锆钛酸铅镧)等更常见的介电材料类型，会随着温度和频率的增加而使电容损失。因此，为了确保在峰值工作温度下提供足够的电容，设计人员可能被迫要在直流链路中增加额外的电容器。

为了使MLCC能够应用到更广泛的应用和工作环境中所部署的直流链路中，业界正在开发新的材料、封装结构和组装工艺而使其性能得到继续扩展。具有高性价比的贱金属电极(BME)系列可在小尺寸的情况下提供大电容，因此可实现更小的整体尺寸和物料清单成本。如图2所示，其电容值与X8R竞争类型相比非常稳定，最高工作温度可达到200℃。实际上，其在200℃下提供的电容相当于许多2类MLCC，而C0G器件则具有更低的DF、更高的绝缘电阻(IR)和更高的电压能力。标准的MLCC现成产品现在可以提供高达2000V的额定电压，外壳尺寸从0805到4540不等，而且其正在进行开发，力求确保提供高达260℃和300℃的可靠性。

图2：可以依靠C0G BME MLCC在整个温度范围内提供期望的电容。

为了满足行业对直流链路电容提出的较小外壳尺寸的需求，基美电子最近推出了采用U2J电介质、额定电压高达50V的MLCC，因此可用于48V DC/DC电源电路。这类器件相比典型的C0G MLCC电容，在类似尺寸中可以提供大约两倍的电容，并具有低ESR、低ESL及DF优于0.1%的特性。图3比较了新推出的U2J MLCC与类似C0G和X7R电容器在-55℃至125℃的U2J温度范围内的电容温度特性。

图3：新的U2J MLCC的温度稳定性接近于C0G类型，同时在相同外壳尺寸下可提供大约两倍的电容。

总结

逆变器在电力电子系统中正越来越多地被用于控制高效变速电机驱动器的供电频率，以及从风能和太阳能等可再生能源中产生电网质量的电力。直流链路为逆变器提供合成所需交流电源波形所必需的干净、稳定的直流输入，工程师对直流链路的这一作用必须有所了解。

逆变器正被越来越多地用于从48V到500V甚至更高电压的产品类型和应用，因此对于滤波和储能来说，为直流链路电容器提供更多、更好选择的需求正在与日俱增。虽然成熟的电解电容器和聚丙烯薄膜电容器技术在不断提供强大的性能，但先进的MLCC现在提供了新的选择，可以帮助节省空间并提高可靠性。