變頻器核心部件：母線電容

　　利德華福HARSVERT系列變頻器是一款電壓源型單元級聯(lián)型變頻器，設(shè)備的核心部件是作為直流儲能環(huán)節(jié)的電容器，擔(dān)負(fù)著解耦、濾波、提供無功功率等重要的功能。如果電容出現(xiàn)容值大幅下降、紋波電阻增大等故障， 就會導(dǎo)致電機(jī)電流大幅波動、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、電容發(fā)熱嚴(yán)重， 因此利德華福在電容器的選擇上頗費了一番“苦心”。

　　目前，直流母線最常見的電容為鋁電解電容。而其最容易發(fā)生的容值下降、電容發(fā)熱等故障，大部分是因電容老化而造成的，為了避免電容失效而導(dǎo)致設(shè)備故障，通常需要在使用后的7 -10 年左右對直流母線電容進(jìn)行檢測和更換。

　　圖 1 電容器

　　(1)鋁電解電容

　　作為最常見的電容，鋁電解電容以金屬鋁箔作為陽極箔，表面經(jīng)過化成形成的氧化鋁薄膜作為電介質(zhì)，起絕緣作用，電解液作為實際陰極，同時起修補(bǔ)氧化膜作用，陰極箔起陰極引出作用。電解電容通過對電極實施蝕刻處理使其表面粗糙來擴(kuò)大電極表面積，從而增大容量。

　　由于絕緣介質(zhì)是鋁箔表面的氧化鋁薄膜，難以控制氧化層厚度及均勻性、達(dá)到高耐壓，在不同的階段，可能會導(dǎo)致以下幾種情況出現(xiàn)：

　　?電解電容工作的早期

　　鋁電解電容由于在負(fù)荷工作過程中，電解液不斷修補(bǔ)并增厚陽極氧化膜(補(bǔ)形效應(yīng))，會導(dǎo)致電容容量的下降;

　　?電解電容工作的后期

　　由于電容溫度較高、密封性能變差導(dǎo)致的電解液泄露等原因，電解液的損耗較多，溶液變粘稠，電阻率增大。這也將導(dǎo)致電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大，損耗增加，最終使得發(fā)熱量增大，溫升升高，進(jìn)入一個惡性循環(huán)。

　　此時，電解液因粘稠而難以充分接觸鋁箔表面凹凸不平的氧化膜層，使得電容的有效極板面積減小，導(dǎo)致電容容量下降。因此，鋁電解電容的結(jié)構(gòu)決定了其使用壽命的限制。比起鋁電解電容，是否有更好的選擇呢?

　　(2)金屬薄膜電容

　　若要降低變頻器生命周期內(nèi)的運維成本，使電容器在整個生命周期內(nèi)都無需更換，無疑是更優(yōu)解，因此金屬薄膜電容進(jìn)入了考慮范圍。

　　金屬薄膜電容發(fā)展僅10年左右，早期因產(chǎn)量小，制造成本高?，F(xiàn)在隨著產(chǎn)量的增大，制造成本顯著降低，使得其大規(guī)模的應(yīng)用成為了可能。因為金屬薄膜電容的原理與鋁電解電容完全不同，所以鋁電解電容的問題能在金屬薄膜電容上迎刃而解。

　　金屬薄膜電容采用高分子聚合物薄膜基板和金屬薄膜，不會導(dǎo)致電解質(zhì)問題，且能調(diào)整厚度以達(dá)到更高的耐壓等級，壽命長達(dá)15年以上，能夠顯著降低產(chǎn)品生命周期的運營費用。憑借上述幾項適合變頻器應(yīng)用的優(yōu)勢，金屬薄膜電容引起了利德華福的關(guān)注。

　　僅僅引起注意還不夠，想要勝任利德華福變頻器的核心部件“職位”，自身條件需要相當(dāng)優(yōu)秀。在變頻核心部件的“崗位爭奪戰(zhàn)”中，鋁電解電容和金屬薄膜電容毫無保留，各自秀出了自己的數(shù)值，如表1所示。

　　表 1 鋁電解電容和金屬薄膜電容之比較

　　通過數(shù)值可以看到，在使用壽命、耐壓、耐浪涌電壓、耐低溫、耐震動、耐長期儲存及易安裝等各個方面， 金屬薄膜電容均具備明顯優(yōu)勢。應(yīng)用金屬薄膜電容，能夠大幅提高變頻器的可靠性，顯著降低電容導(dǎo)致的變頻器的運營維護(hù)成本，因此這個“職位”非它莫屬!

　　(3)催化變頻新改變

　　在利德華福變頻器產(chǎn)品上擔(dān)任重要“崗位”后，作為新一代元器件的金屬薄膜電容，借助其高耐壓和可自愈的特性，提供額定1200V的耐壓，無需電阻均壓電路，避免了因均壓失效導(dǎo)致的過壓損毀問題，為變頻器的設(shè)計和運行帶來了更加積極的變化：

　　?變化：更優(yōu)異的設(shè)計(見圖2)

　　?變化：更堅強(qiáng)的品質(zhì)

　　圖 2 設(shè)計方案比較

　　當(dāng)電容端電壓超過耐壓極限后，金屬薄膜電容會導(dǎo)致金屬鍍膜擊穿并蒸發(fā)，隨著過電壓的消失而自行恢復(fù)，同時會損失該部分的容量;電解電容的過壓則會導(dǎo)致氧化膜的擊穿和電解液的蒸發(fā)，并可能導(dǎo)致電容爆炸等情況。

　　而采用金屬薄膜電容作為直流母線電容，可進(jìn)一步提高整個高壓變頻器的可靠性和穩(wěn)定性，并具備過壓擊穿后的自愈能力，顯著降低客戶在變頻器生命周期內(nèi)的運營成本。金屬薄膜電容作為中高壓變頻器直流支撐電容，也已逐漸成為行業(yè)的共識和必然趨勢。

　　變頻器核心部件

　　絕緣柵雙極型晶體管IGBT

　　利德華福變頻器的核心元器件采用全稱為絕緣柵雙極型晶體管的IG BT (Insula t ed G a t e Bip o la r Transistor)。IGBT的可控開關(guān)能力使得變頻器可以通過PWM模式控制輸出電壓和頻率， 其特性決定了變頻器的輸入、輸出電壓、電流和輸出dv/dt性能，因此IGBT的選擇關(guān)系到整個產(chǎn)品的設(shè)計和品質(zhì)。在如此重要的元器件上，利德華福是如何進(jìn)行選擇的?

　　圖 3 IGBT 模塊

　　(1)IGBT的額定電流選擇

　　?散熱效率

　　散熱效率指散熱片轉(zhuǎn)移熱量的速度和能力，利德華福采用新型壓鑄式一體成型散熱器，通過翅片進(jìn)行高效散熱;

　　?過載要求

　　利德華福變頻器均按照允許120%過載、1分鐘每10 分鐘設(shè)計，充分考慮現(xiàn)場使用中可能出現(xiàn)的過負(fù)荷工況， 確保設(shè)備持續(xù)、穩(wěn)定運行;

　　?核心溫升限值

　　IGBT允許的溫升決定了IGBT允許輸出的電流大小， 除了散熱設(shè)計以外， IGBT的核心耐受溫度越高， 則允許輸出的電流越大，魯棒性也就越好;新型IGBT核心允許溫度可達(dá)150℃。

　　(2)IGBT的額定電壓選擇

　　?電網(wǎng)過電壓

　　IGBT需要可以耐受電網(wǎng)波動導(dǎo)致的電壓升高，通常為110%~130%電網(wǎng)額定電壓;

　　?關(guān)斷過電壓

　　IGBT需要可以耐受關(guān)斷時，電路上的感性負(fù)荷以及雜散電感造成的電壓尖峰;

　　?故障過電壓

　　IGBT還需能承受線路出現(xiàn)過電流時導(dǎo)致的過電壓， 并可靠關(guān)斷。

　　(3)封裝更新，順應(yīng)變頻發(fā)展

　　由于變頻器的封裝形式關(guān)系到控制回路和主回路的布局設(shè)計，同時進(jìn)一步影響電路的電氣性能， 所以IGBT 的封裝也要不斷變化， 順應(yīng)變頻器的發(fā)展需要。因此在IGBT封裝形式上，利德華福同樣“別出心裁”。

　　?更高電流密度

　　IGBT芯片的電流密度隨著技術(shù)的發(fā)展逐步提高，目前最新型的小功率IGBT模塊已經(jīng)可以將整流，逆變電路集成在一個模塊內(nèi)，實現(xiàn)高壓變頻的完整拓?fù)?。此種一體式模塊的功耗與分立器件在不高于傳統(tǒng)三模塊設(shè)計前提下一致。這樣的封裝大幅簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)和體積，減少器件間的線纜連接和故障點，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

　　?更強(qiáng)的整流二極管芯片

　　采用整流二極管芯片(一體式模塊)可以使整流橋耐壓進(jìn)一步提升至2000~2200V(對比傳統(tǒng)的1800V耐壓)，并且浪涌電流耐量(I2t，IFSM)也進(jìn)一步增強(qiáng)， 能有效防止電網(wǎng)電壓波動及沖擊電流造成的失效。

　　圖 4 采用更強(qiáng)的整流二極管

　　?焊接式引腳封裝

　　圖 5 焊接式引腳 IGBT

　　這種封裝下，IGBT的控制回路(或主回路)都是通過焊接式引腳引出。如圖5所示，可以采用焊接在電路板上的形式，使用疊層母線設(shè)計，減小母線雜散電感，降低IGBT上的關(guān)斷尖峰電壓，延長IGBT使用壽命。

　　(4)內(nèi)置測溫，精準(zhǔn)核心保護(hù)

　　IGBT保護(hù)的核心是溫度保護(hù)，因此IGBT的核心溫度測量就非常關(guān)鍵，傳統(tǒng)的溫度測量方案需要在IGBT旁的散熱片上安裝測溫元器件，但這樣的方式可能會帶來幾種問題：

　　?布置在散熱器，離發(fā)熱源較遠(yuǎn);

　　?檢測結(jié)果偏差大;

　　?溫度檢測響應(yīng)慢，時間常數(shù)大;

　　?繼電器輸出，無法讀取實際溫度值。

　　為了避免上述問題所帶來的影響，利德華福采用了新型IGBT模塊內(nèi)置溫度檢測方案，在IGBT模塊內(nèi)部安裝測溫元器件，使溫度傳感器能夠采集實際溫度值，并且發(fā)送給主控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了以下功能：

　　?集成在IGBT內(nèi)部，接近發(fā)熱源;

　　?檢測結(jié)果更準(zhǔn)確;

　　?溫度檢測時效性高，響應(yīng)快;

　　?實時溫度數(shù)值顯示。

　　這種新型IGBT，可以進(jìn)一步提高整個高壓變頻器的可靠性，并有效縮短檢測、維修時間，降低用戶的維護(hù)費用。通過采用以All-in-one、EconoDual封裝為代表的新型IGBT，利德華福為變頻器的設(shè)計帶來了新潮流， 最新推出的第七代高壓變頻產(chǎn)品， 御電新生， 未來可“七”!