2015 十月

直流链路电力电容器

CeraLink实现灵活高性能的紧凑型逆变器

由Scienlab电子系统开发的一款新型牵引逆变器不仅设计紧凑、轻型,且电力密度高,可灵活适应多种需求,非常适用于不断增长的各种电动车。通过在直流链路中使用的CeraLink™ 电容器,可以开发出新型逆变器。

随着越来越多的车辆配备了具有能效和零排放驱动,电动车的发展趋势最终赢得了市场的关注。除了轿车,电动车还包括市政服务使用的小型多功能车、电子叉车,建筑、农业及工业用卡车以及自动化工厂车间的车辆等。

因此,对于应用于这些车辆中的紧凑、轻型且高性价比驱动的需求与日俱增。

创新型逆变器设计

为了满足以上需求,电力电子设计专家Scienlab电子系统(位于德国Bochum)专门设计开发了一款紧凑型逆变器 (2 dm³)。该逆变器的额定功率为40 kW,可支持290 V DC至420 V DC的工作电压,适合上述各种应用。该逆变器的硬件和软件结构均具有动态的输出电流范围,因而可实现动态的车辆性能。

新型Scienlab牵引逆变器的设计具有四个主要的功能单元,即控制电路、驱动、电力电子元件,以及坚固耐用的外壳和接口。该逆变器具有一个IGBT模块,可完全控制三相桥接电路 (B6C),其内置直流链路则采用该新型设计(图1)的关键元件——创新型CeraLink电容器。模块化设计使得该逆变器可灵活适应用户特殊的电流和功率需求。比如,高功率IGBT模块只需稍做改变就可用于驱动PCB,而且只需增加CeraLink电容器的数量即可轻松扩展自含直流链路电路板,并且无需对控制电路做任何改变。此外,用于汽车应用、置于控制器内部的逆变器软件由工具链创建,其自适应开发过程能适应用户的特殊软件需求,无需修改软件架构。

图1:采用CeraLink电容器的Scienlab逆变器的框图

在直流链路中拥有36个CeraLink电容器并连。

逆变器的要求

为了使逆变器适用于汽车电动应用,该新型设计必须只能使用汽车级元件。此外,还必须提供极高的电力密度,从而确保紧凑、轻型。

为了满足以上需求,Scienlab采用了一种水冷IGBT(电力半导体芯片表面积小),同时优化了控制器和驱动电路板的配置,以节省空间。不过,Scienlab将重点放在逆变器最大组成部分——直流链路的容积和性能。

借助CeraLink电容器实现直流链路的紧凑性和灵活性

对于直流链路,Scienlab选择了TDK集团的CeraLink电容器,该电容器具有高达5.5µF/cm³ (图2)的很高电容密度。“与其他电容器技术相比,CeraLink提供了电容密度和纹波电流能力的最佳组合,” Scienlab的总经理Christoph Doerlemann解释。无需牺牲直流链路的任何性能,就能实现紧凑封装。“这正是我们的牵引逆变器与其他逆变器的区别所在”,他说道。

图2:单位电容器容积的电容密度和纹波电流能力

对于需要高电容密度和高纹波电流能力的应用,CeraLink电容器技术是不二之选。

不同于传统陶瓷电容器,这些新型电容器基于陶瓷材料PLZT(锆钛酸铅镧),其电容值在应用电压时达到最大,甚至随纹波电压的占比成比例增加。相比于传统电容器设计,借助紧凑型CeraLink电容器的新型设计可使直流链路的体积缩小3到4倍。

该系列电容器采用专业设计,工作温度范围为-40至+125 °C,甚至能耐受短暂的高达150 °C的高温条件。使用多个分立电容器不仅能提高元件布局的灵活性,还能使电容器的表面积和散热达到最大。因此,即便环境温度很高,也能使用无源制冷技术。

消除ESR和ESL

Scienlab进一步的设计目标是消除直流链路的ESR和ESL。“借助CeraLink仅为2.5 nH的极低ESL,可显著降低IGBT切换过程中的过冲和-电流,从而显著提升逆变器的系统性能,”Doerlemann指出。此外,Scienlab把电容器并联在专门开发的多层PCB上,这样内阻也很低。频率为1 MHz时ESR值仅为3 mΩ,有助于显著降低直流链路的功率损失以及由此产生的热。事实上,随着频率增加和温度升高,ESR降低,从而允许温度高达150°C和高切换频率时的高效操作。

表:TDK集团 CeraLink™产品组合

系列额定电容值/额定电压

SMD低剖面系列(LP, J-Style)

1 μF / 500 V

0.5 μF / 700 V


SMD低剖面系列(LP, J-Style)

1 μF / 500 V

焊针系列(SP)

20 μF / 500 V

为额定电压的IGBT设计
650 V / 705 V900 V

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