PWM方案对电解电容温升影响

三相电压馈电逆变器中直流电解电容器温升比较

摘要

电解电容器具有较大的电容，广泛应用于各种电路中以抑制电压波动。然而，电解电容器的寿命会随着工作温度的升高而缩短。因此，为了使电解电容器能够长期使用，需要使其在温升最小的条件下运行。据报道，流入电解电容器的电流波形和频率不同，会导致温升存在差异。在此背景下，本文研究了PWM（脉宽调制）方案与电解电容器温升之间的关系。本文针对两种不同的PWM方案，分别进行了频率分析、电解电容器中电流的电流波形比较以及温度测量。

关键词 —电解电容器，温度，PWM方案，寿命估算

一、引言

电解电容器具有较大的电容，广泛应用于多种电路中以抑制电压波动。然而，随着工作温度的升高，电解电容器的寿命会缩短。当电解电容器的温度升高10°C时，其寿命将减半（阿伦尼乌斯规则）。除了电容成分外，电解电容器还包含一个电阻成分（等效串联电阻）。当电流流经该电阻成分时，会产生热量，导致电解电容器的温度上升。换句话说，为了使电解电容器能够长期使用，需要使其在尽可能低的温升条件下运行。由于电容和等效串联电阻具有频率特性，已有报道称，温升会因流过电流的波形和频率的不同而变化[1]。

在此背景下，我们研究了PWM（脉宽调制）方案与电解电容器温升之间的关系。对于交流‐直流电源变换器，已提出了多种PWM（脉宽调制）方案，这是三相电力变换器运行的基本方案。此外，还存在一种两相PWM方案，该方案暂停其中一相的开关动作。该方案可将开关次数减少至三相PWM方案的2/3，从而降低开关损耗。同时，有望提高转换效率并减小变换器的体积和重量。然而，该方案也存在问题，即谐波在以载波频率为中心的较宽频率范围内扩散，并且在低功率因数运行时开关损耗会增加。

本文采用两种不同的PWM方案来驱动三相电压源逆变器，测量了电解电容器中的电流及其温升，并讨论了它们与PWM方案之间的关系。

II. 电解电容器

理想的电解电容器没有损耗，仅包含电容分量。然而，实际的电解电容器包含电阻成分（等效串联电阻），例如引线和电解液，以及电感分量（等效串联电感）。

通常，等效串联电阻在低频时会增加。此外，等效串联电阻会消耗功率，从而产生热量，导致电容器温度上升。

电解电容器是一种容易受工作温度影响的元件。当温度变化时，电容、介质损耗角正切和等效串联电阻都会发生变化。电解电容器的寿命取决于工作条件。电解电容器主要因纹波电流流过等效串联电阻而产生热量。

当温度升高时，电解液会蒸发，导致电容减小。电解电容器的工作温度每升高10°C，其寿命减半；每降低10°C，寿命则加倍。换句话说，当温度升高x [°C]时，寿命增加L倍（见下式）。

$$
L = 2^{0.1x}
$$

公式(1)用于根据实验结果估算寿命。纹波电流越小，电解电容器的寿命越长。为了长期使用电解电容器，应降低其温升。

III. PWM方案

本文比较和研究了应用于三相电压源变换器的以下两种PWM方案。图1 (a)展示了传统两相PWM方案的模型波形，该方案采用双极性通过参考值偏移的边沿载波（D2）。通过将各相的相电压参考值均等地向上（下）移动，以匹配载波信号的最大（最小）值，从而暂停一相的开关动作。然而，该方案中参考值变化较快。图1(b)显示了作者提出的采用单边沿载波（P2）并结合脉冲电压叠加的两相PWM方案的模型波形[2]。通过在每相的开关模式上虚拟地添加一个共用脉冲电压，实现一相开关的暂停。

IV. 实验结果

图2显示了实验中使用的电压源三相变换器的电路结构。表1列出了电路条件。本实验使用恒温槽（PU‐1KP （ESPEC））以防止外部环境对电解电容器产生影响，将电解电容器和主电路置于恒温槽内。本研究中，将一个热电偶（K型）插入待测电解电容器的中心位置。实验时将恒温槽设定为15°C。最开始的一小时仅运行恒温槽，使电解电容器的温度保持在15°C。之后运行电路3小时，测量其温升。

A. 频率分析

图3显示了流经电解电容器的电流的频率分析结果。图3（a）为传统方案（D2）的结果，图3（b）为提出方案（P2）的结果。由该图可知，在D2中，谐波电流在载波频率附近分散，这种现象被认为是由于参考值的阶跃变化所致。此外，还确认存在低次谐波分量。而在P2中，谐波明显减小。

输入电压	400V
功率	5.5千瓦
Load	9mH+7Ω×3相
直流侧电容	4700微法（电解电容）
直流侧电容	1微法（薄膜电容）
直流侧电感	12mH
载波频率	6kHz

表1. 实验条件

B. 电流波形比较

图4显示了电解电容器在一个周期（20毫秒）内的电流波形。与D2相比，P2具有更多的尖峰电流。使用的载波波形的差异被认为是主要因素。D2使用双边缘波载波，而P2使用单边缘波载波。该尖峰电流出现在所有开关都关断时（死区时间期间）。在单边缘波载波的情况下，所有开关在下降载波的死区时间内被关断。

C. 温升

图5显示了电解电容器的温升结果。对于P2和D2，电解电容器的温度在3小时内上升约7°C。就温升而言，P2和D2没有明显变化。P2略高于D2。最终温度差约为0.2°C。表2显示了电解电容器的最终温度和估计寿命。当使用阿伦尼乌斯规则计算电解电容器的寿命时，D2约为P2的1.01倍（使用公式 (1)）。温升差异的原因被认为是所使用的载波不同。即，P2和D2之间的电解电容器寿命被认为几乎相同。换句话说，对于电解电容器的寿命而言，无需过多关注所使用的PWM方案类型。

脉宽调制方案	D2‐脉宽调制	P2‐PWM
最终温度[°C]	23.2	23.4
寿命估算 (基于 P2‐PWM)	1.02	1.00

表2. 电解电容器的最终温度和估计寿命

V. 结论

电压型三相变换器持续运行。在提出方案（P2）中，流经电解电容器的直流电流谐波分散较传统方案（D2）得到抑制。同时，P2相比D2含有更多的尖峰电流。并确认了直流侧电解电容器的温升情况。结果表明，P2的温升略高于D2。然而，电解电容器的使用寿命在P2与D2之间基本相同。这些结果表明，电解电容器的温升和使用寿命随所采用的PWM方案而变化，但差异并不显著。

未来，我们将研究开关频率变化时电解电容器的温升情况。我们还计划研究载波波形。