buck‘输入电容纹波电流计算

变频器直流母线电容纹波电流计算方法

各类电动机是我们发电量的主要消耗设备，而变频器作为电动机的驱动装置成为当前“节能减排”的主力设备之一。它一方面可以起到节约能源消耗的作用，另一方面也可以实现对原有生产或处理工艺过程的优化。目前应用最多也最广的是交-直-交电压型变频器，即中间存在直流储能滤波环节，一般采用大容量电解电容器实现此功能。

使用电解电容器的作用主要有以下几个：

（1）补偿以电源频率两倍或六倍变化的逆变器所需功率与整流桥输出功率之差；

（2）提供逆变器开关频率的输入电流；

（3）减小开关频率的电流谐波进入电网；

（4）吸收急停状态时所有功率开关器件关断下的电机去磁能量；

（5）提供瞬时峰值功率；

（6）保护逆变器免受电网瞬时峰值冲击。

电解电容器设计选型所需要考虑的主要因素有以下几个：电容器的电压、电容器量、电容器的纹波电流、电容器的温升与散热、电容器的寿命等等。这些因素对变频器满足要求的平均无故障时间（mtbf）十分重要。然而电解电容器的纹波电流的计算如何能明确给出计算依据，这是本文所要解决的问题。

直流母线电容纹波电流的计算

纹波电流指的是流过电解电容器的交流电流，它使得电解电容器发热。纹波电流额定值的确定方法是在额定工作温度下规定一个允许的温升值，在此条件下电容器符合规定的使用寿命要求。当工作温度小于额定温度时，额定纹波电流可以加大。但过大的纹波电流会大大缩短电容器的耐久性，当纹波电流超过额定值，纹波电流所引起的内部发热每升高5℃，电容器器的寿命将减少50%。因此当要求电容器器具有长寿命性能时，控制与降低纹波电流尤其重要。

但在实际设计过程中，电解电容器的纹波电流由于受变频器输入输出各物理量变化以及控制方式等的影响很难直接计算得到，一般多采用根据实际经验估算大小，如每μf电容器要求20ma纹波电流之类的经验值，或者通过计算机仿真来估算[3～6]。

本文根据对变频器电路拓扑与开关调制方式的分析，并借鉴已有文献资料，归纳出一个直接的计算电解电容器纹波电流的方法，供大家参考。

新能源　光伏逆变器母线电容纹波电流计算及分析　蔡聪朝１Ｉ２，李　翔１Ｉ２，刘乐陶　，董伟１，２　（１．特变电工新疆新能源股份有限公司，乌鲁木齐８３００１１；２．特变电工西安电气科技有限公司，西安７１０１１９）　摘　要：从光伏逆变器输出电流出发，提出一种新型的大功率逆变器母线电容纹波电流预估的理论模型，利用建　立的模型，分析不同调制比对母线电容纹波电流的影响。对５００ｋＷ功率等级光伏逆变器中母线电容的纹波电流大小　进行理论预测，通过ＰＳＩＭ仿真建模和样机试制，将理论预测值、仿真值和样机实测值进行了对比分析，验证模型的准　确性。　关键词：光伏逆变器；母线电容；纹波电流　Ｏ引言　目前．针对大功率光伏逆变器母线电容选型设计　做了一些电容参数影响分析［１］．但是在系统推导上存　在一定缺陷　针对大型５００ｋＷ逆变器．从光伏逆变器输出电流　出发．提出一种新型的大功率逆变器母线电容纹波电　流预估的理论模型，利用建立的模型．对５００ｋＷ功率　等级光伏逆变器中母线电容的纹波电流大小进行理　论预测，通过ＰＳＩＭ仿真建模和样机试制，验证模型的　准确性。此模型对光伏逆变器的可靠运行．具有较强　的应用指导意义　１母线电容纹波电流计算与选取　逆变器母线电容纹波电流回路模型如图１所示。　图１母线电容纹波电流回路模型　在图１中，母线电容的纹波电流　可由下式　得到：　－，ｌ一，２　（１）　假定三相输出并网电流为理想的三相余弦波形．　相位互差１２０。，即三相并网电流可表示为：　作者简介：蔡聪朝（１９８５一），硕士，工程师，研究方向为太阳　能光伏并网逆变器。　收稿日期：２０１４－１１－２６　９１　｝１＾ｎ＾ｎⅣ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ　自动化应用　眦Ａ（　：、／２　Ｊ咖Ｊ　ｏｓ（ｗｔ＋￣）　一　，’　呲．　）＝、／２　Ｌ　Ｂｃ０ｓ　抖—　１ｒ＋　）　（２）　Ｊ　＿Ａ　）＝ｘ／２　ｏｓ（∞　＋÷１Ｔ＋　）　Ｊ　１．１交流滤波电容电流计算　考虑到逆变器在设计时．交流滤波电容上的无功　控制在额定的５％左右。忽略高频谐波的影响．从能量　的角度反推流过交流滤波电容的电流．其等效的电流　值可表示为：　３　Ｕ　Ｎ　（３）　１．２流过开关管的每相电流计算　由于此处的逆变器拓扑为典型的三相全桥模式．　流过上桥臂ＩＧＢＴ的电流大小受逆变器的软件控制算　法影响，考虑采用ＳＰＷＭ调制算法进行计算，假设正　弦调制波为：　ｓ＿Ａ（ｔ）＝Ｍｃｏｓ（ｗｔ）　５』｝Ｏ）＝　０８　计　）　（４）　ｓ—Ｃ（ｔ）＝ＭｃＯＳ　ｆ＋　）　式中，Ｍ为调制比，与逆变器输出电压和直流母线　电压有关，可定义为：　Ｍ（Ｕｏ，　：　（５）　假定５　为ＳＰＷＭ三角载波信号时域函数，由式　（４）、（５）可推导出ＳＰＷＭ调制信号函数：　ＰＷＭＡ（ｔ）＝ｆ　１　ｉｆ　ｓ　（　）＞ｓＯ）　【０　ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ　ＰＷＭ．（ｔ）：　（６）　ｌ０　ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ　ＰｗＭ　￡１：｛　ｉ　ｓ—ｃ　）＞ｓ　）　…【０　ｏｔ

・开关电源・　低压电器（２００８￣９）　通用低压电器篇　

零纹波输入电流Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ变换器　

陆治国’，　林贤贞’，　胡红琼　，　邓文东。　

（１．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，　

重庆４０００４４；２．泸州电业局，四川泸州６４６０００；　

３．重庆市Ｌｒ－４Ｐ＿，供电局，重庆４０００４４）　

摘要：针对传统Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ输入输出电流断续的缺点，提出一种基于独立电感　

零纹波输入电流和输出电流连续的Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ变换器，详细分析了变换器的稳态工作　

原理。采用状态空间平均法，建立了变换器动态小信号模型，给出了小信号特征Ｍａｔｌａｂ　

仿真波形。并对其进行交错并联优化，最后Ｓａｂｅｒ电路仿真证明了理论分析的正确性。　

关键词：零纹波；独立电感：Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ；交错并联　

中图分类号：ＴＭ　４６文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—５５３１（２００８）０９－００３９４３４　陆治国（１９６４一），　

男，副教授，博士，研　

究方向为集成电力　

电子技术建模与仿　

真和电力电子变换　

器的数字控制技术。　

Ｚｅｒｏ　Ｒｉｐｐｌｅｄ　Ｉｎｐｕｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

ＬＵ　Ｚｈｉｇｕｏ　，ＬＩＮ　Ｘｉａｎｚｈｅｎ　，ＨＵ　Ｈｏｎｇｑｉｏｎｇ　，ＺＥＮ　Ｗｅｎｄｏｎｇ　

（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＆Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　

ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｌｕｚｈｏｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｌｕｚｈｏｕ　６４６０００，Ｃｈｉｎａ；　

３．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｂｅｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

折中选择输入电容纹波电流的线压范围

您在为一个低功耗、离线电源选择输入滤波电容时，会出现一种有趣的权

衡过程。您要折中地选取电容的纹波电流额定值，以适合电源工作所需的电压

范围。通过增加输入电容，您可以获得更多纹波电流的同时还可以通过降低输

入电容的压降来缩小电源的工作输入电压范围。这样做会影响电源的变压器匝

数比以及各种电压及电流应力。电容纹波电流额定值越大，应力越小，电源效

率也就越高。 图 1 和图 2 显示了离线电源中使用的两种整流器配置结构。图 1 为一个

全波桥接，其中，AC 输入电压经过简单整流以后便被送至电容。这种电路常

见于宽范围 AC 和 230 伏 AC 应用中。电容充电至正弦波峰值，然后在大部

分半周期放电。电容纹波电流包括两个部分：首先是充电周期，其电流由电容

值和所应用的 dV/dt 决定；其次是电容放电。电源起到恒定电源负载的作用，

因此电容以非线性速率实施放电，其计算方法为：W = ½ * C *V = P * dt。 图 1 用于许多离线设计中的全波桥接

 图 2 描述了一种倍压器整流配置结构，许多 115/230 VAC 应用都使用了这

种结构。如果您有一个 230 VAC 应用，则您的输入级需要处理最大输入电压

（265 VAC）乘以峰值因数这么大的电压，其接近 400 伏。在与一个 115 VAC 输入一起使用时，倍压器将经过整流的电压，增压至接近 230 VAC 输

入电平。我们可以专为 230 VAC 线压设计一个电源，以此来减小电源工作的

整流后电压范围。我们通常使用一个跳线或者开关，来实现不同整流器配置之

间的切换。这种方法的唯一缺点是偶尔出现人为倍增 230 VAC 输入的情况，

从而对电源造成严重破坏。图 2 显示了倍压器电路的一些波形。电容之间不

带电。两个整流器交替对每个电容施加输入电压。一个周期中，每个电容都被