母線電容的定義

在電機(jī)控制器中，電池包的直流電作為輸入電源，需要通過直流母線與電機(jī)控制器連接，該方式叫DC－LINK或者直流支撐，其中的電容我們稱之為母線電容或者支撐電容或者DC－Link電容。由于電機(jī)控制器從電池包得到有效值或者峰值很高的脈沖電流的同時，會在直流支撐上產(chǎn)生很高的脈沖電壓使得電機(jī)控制器難以承受，所以需要選擇母線電容來連接。

母線電容的作用

母線電容的作用：

1、平滑母線電壓，使電機(jī)控制器的母線電壓在IGBT開關(guān)的時仍比較平滑；

2、降低電機(jī)控制器IGBT端到動力電池端線路的電感參數(shù)，削弱母線的尖峰電壓；

3、吸收電機(jī)控制器母線端的高脈沖電流；

4、防止母線端電壓的過充和瞬時電壓對電機(jī)控制器的影響。

母線電容的變遷

母線電容由最開始的電解電容變遷到現(xiàn)在普遍使用的薄膜電容，但電解電容并沒有完全消失不用，在MOS管作為功率器件的低速車或者物流車的控制器上仍然采用多個電解電容并聯(lián)使用。

豐田Prius 第一代電控就是采用的電解電容，采用的三個松下電解電容器，規(guī)格為：450V／2700uF，豐田Prius在第二代電控系統(tǒng)中采用了定州薄膜電容，為松下的薄膜電容，但具體的參數(shù)在圖片上看不清楚，就不做介紹。

圖1第一代Prius 電解電容

圖2第二代Prius 薄膜電容

圖3國內(nèi)一家商用車早期電解電容

圖4國內(nèi)一家商用車早期薄膜電容

圖5現(xiàn)在控制器常用定制電容

電解電容與薄膜電容的對比

1、電解電容的優(yōu)點(diǎn)是容量比薄膜電容大；

2、薄膜電容相對于電解電容優(yōu)勢；

3、薄膜電容具有更良好的溫度和頻率特性；

4、薄膜電容沒有極性，能夠承受反向電壓；

5、薄膜電容額定電壓高，不需要串聯(lián)平衡電阻；

6、薄膜電容采用干式設(shè)計(jì)，沒有電解液泄露的危險(xiǎn)，沒有酸污染；

7、薄膜電容更低的ESR，更強(qiáng)的耐紋波電流的能力；

8、薄膜電容更強(qiáng)的抗脈沖電壓能力；

9、薄膜電容更長的壽命；

10、薄膜電容更加靈活的外形設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同的需求進(jìn)行定制。

圖6電解電容與薄膜電容參數(shù)對比

母線電容電壓的選擇

電機(jī)控制母線電壓除了正常的紋波電壓的波動，還包括IGBT動作時電流激烈的變化產(chǎn)生尖峰電壓和電機(jī)反轉(zhuǎn)時的反電動勢，薄膜電容在使用中允許有1．2倍額定電壓值的脈沖，理論上可以選擇額定電壓較低的薄膜電容。

如現(xiàn)在的320V的電機(jī)控制器系統(tǒng)一般選用500VDC的薄膜電容，540V的電機(jī)控制器系統(tǒng)選用900V或者1000V的薄膜電容。

母線電容容量的計(jì)算

在新能源電動汽車電機(jī)控制器的應(yīng)用中，母線電容是以IGBT的載波頻率來完成充放電，在一個PWM周期內(nèi)，IGBT導(dǎo)通時由電池組和電容器同時為電機(jī)提供能量，IGBT關(guān)斷時，電池組向母線電容充電。

我們假設(shè)電機(jī)控制器的最大輸出功率為P，電機(jī)控制器的的電路為典型的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在一個開關(guān)周期內(nèi)，母線所提供的能量約為：

W＝P／（2f）

其中：

f：IGBT的開關(guān)頻率。

母線電容一個開關(guān)周期內(nèi)釋放的能量為：

Q＝1／2＊C（U＋Δu）2－1／2＊C（U－Δu）2＝2＊C＊U＊Δu

其中：

U：直流母線電壓；

Δu：母線紋波電壓；

在極端情況下：Q＝W，進(jìn)一步計(jì)算可得：

C＝P／（4＊f＊U＊Δu），

一般的，直流母線電壓的脈動率為5％，

即紋波電壓值：

Δu＝U＊2．5％

綜上可得：

Cmax＝P／（4＊f＊U＊U＊2．5％）

Cmax值是建立在最極端的情況下，實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為IGBT開關(guān)導(dǎo)通的時候，母線電容提供W／2的能量，即Q＝W／2

結(jié)合前面的計(jì)算公式可得：

Cmin＝ P／（8＊f＊U＊U＊2．5％）

以上計(jì)算我們僅供設(shè)計(jì)參考，在實(shí)際應(yīng)用中更多的電機(jī)控制器的母線電容容量的選取接近Cmin的值或者小于Cmin，我們在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)自己不同的成本和體積綜合考慮。

母線電容紋波電流的計(jì)算

紋波電流是指流經(jīng)母線電容的交流分量，電機(jī)控制器的輸出電流為三相正弦基波電流與高頻諧波電流的疊加，兩者均會在直流母線側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)的紋波電流。

紋波電流計(jì)算公式為：

其中：

為母線紋波電流

M為調(diào)制比。