汽車逆變器中間電路中用于存儲和緩沖能量的電容器是直流鏈路電容器（圖 1 中綠色輪廓部分）。具有此電容的直流鏈路電容器的主要目標(biāo)是充分吸收快速開關(guān)三相逆變器功率級產(chǎn)生的電流紋波，該功率級通過短電纜或母線連接到電機(jī)。

　　圖 1. 簡化的動力傳動系統(tǒng)電路圖原理圖和電容器電流流動示例。圖片由 Rambow Technology 和 Bodo's Power Systems提供

　　選擇電容是為了控制直流母線電壓紋波，同時提高系統(tǒng)能量密度。這些電容器通常在 400 V DC至 800 V DC的高電壓下工作。眾所周知，汽車行業(yè)要求零部件在高負(fù)荷工作（例如在極高的溫度、振動和濕度下）時具有出色的可靠性。對于所有逆變器而言，直流母線電容器作為 A 級零部件，確實(shí)是設(shè)計、可靠性以及終成功的關(guān)鍵。脈沖寬度調(diào)制電動汽車逆變器中的直流母線電容有許多或多或少復(fù)雜的計算公式（圖 2）。

　　圖 2.  PWM - 占空比以正弦方式變化。圖片由 Rohde & Schwarz 和 Bodo's Power Systems提供

　　在汽車動力傳動系統(tǒng)中，直流鏈路薄膜電容器直接安裝在單個開關(guān)或半導(dǎo)體功率模塊（如果使用 B6 或半橋）上，ESL 和 ESR 值非常低（圖 1 中綠色部分）。電容器與功率模塊的距離是化功率級和電容器本身之間的雜散電感的一個重要目標(biāo)。
　　應(yīng)用重疊母線概念可使 ESL 盡可能低，而 ESR 則由電容器本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。即使電容器電流路徑中只有幾納亨的雜散電感，也會使開關(guān)頻率下的阻抗升高到抵消其有效性的水平。較大的紋波電壓表示大容量電容器中流過的紋波電流較大，并可能導(dǎo)致 ESR 中的功率耗散過多。在成為熱限制因素之前，正確選擇電容器及其位置可以對汽車的EMC 穩(wěn)健性產(chǎn)生積極影響。如果紋波電壓和相應(yīng)的電流保持在較低水平，對汽車安全相關(guān)系統(tǒng)的潛在影響也會大大降低，因此車輛的電氣系統(tǒng)中不會發(fā)生可能影響其他功能模塊的干擾。
　　隨著頻率的增加，電池和電纜寄生源電感導(dǎo)致阻抗增加。直流鏈路電容器阻抗下降，因此它成為高頻交流電循環(huán)電容器紋波電流（ICrms）的路徑。

　　負(fù)載電流 (IMrms) 幅度和由此產(chǎn)生的電容器紋波電流 (ICrms)、占空比（dc 或 m；壞情況下 m=0.5）、開關(guān)頻率 (f) 和溫度 (T(C)) 是決定電容器端子間紋波電壓幅度的典型因素。由于紋波電壓幅度與輸出負(fù)載電流成正比，因此電流紋波幅度出現(xiàn)在輸出負(fù)載時，這并不奇怪。圖 3 中的實(shí)線顯示了計算出的交流均方根紋波幅度，該幅度在電容器中產(chǎn)生了所考慮的損耗。它達(dá)到 50% 的值占空比。圖表 [TI ] 顯示了此幅度在 50% 的兩側(cè)如何下降。

　　圖 3. 震級在 50% 的兩側(cè)下降。圖片由德州儀器和 Bodo's Power Systems提供 
　　各種類型的電容器結(jié)構(gòu)都會影響所考慮的電容。雖然傳統(tǒng)的高電容電解電容器在這一應(yīng)用領(lǐng)域中并不起主要作用，但電力薄膜電容器技術(shù)卻成為焦點(diǎn)——這是有充分理由的。事實(shí)上，電力薄膜電容器技術(shù)為設(shè)計帶來了一些寶貴的優(yōu)勢，包括：
　　低 DF（耗散因數(shù)）= 低 ESR = 低損耗
　　高電流紋波電流能力
　　干施工=無需擔(dān)心蒸發(fā)
　　在一定限度內(nèi)自我修復(fù)
　　電力薄膜直流鏈路電容器的設(shè)計考慮因素
　　每個薄膜電容器元件內(nèi)的熱點(diǎn)溫度限制為 105°C（對于廣泛使用的聚丙烯薄膜）。雖然電容器的自熱溫度為 20°C，但散熱器溫度不應(yīng)超過 85°C。目前已有 125°C 的薄膜材料，但成本和尺寸使其缺乏吸引力，并且在實(shí)踐中無法提供更好的技術(shù)商業(yè)匹配。因此，必須驗(yàn)證冷卻情況。每個電容器元件內(nèi)的任何超過 105°C 的溫度都將造成損壞并大大縮短其使用壽命。如果可以接觸到，您可以在電容器表面中間測量熱點(diǎn)溫度。結(jié)果接近內(nèi)部現(xiàn)有溫度，因?yàn)榇蠖鄶?shù)這些直流鏈路電容器體積龐大，并且與半導(dǎo)體相比溫度上升非常緩慢。盡管如此，汽車逆變器設(shè)計中的直流鏈路電容器必須冷卻并安裝在散熱器上。在情況下，液冷散熱器的冷卻液應(yīng)先通過電容器，然后再冷卻熱半導(dǎo)體開關(guān)，同時考慮溫度限制和耗散量（以瓦特為單位）。選擇直流鏈路電容器時的另一個考慮因素是降額與施加的溫度和電壓的關(guān)系。請查看數(shù)據(jù)表或詢問制造商了解詳細(xì)信息。
　　除了溫度之外，其他考慮因素還有濕度、振動和（化學(xué)）污染。
　　計算電容值
　　對于電容器，紋波電流引起的負(fù)載和由此產(chǎn)生的紋波電壓是首要選擇標(biāo)準(zhǔn)。電容器必須處理的紋波電流，而不會因 ESR（等效串聯(lián)電阻）的耗散而過熱，通常是重要的因素。這通常會導(dǎo)致電容遠(yuǎn)高于計算值。
　　ICrms=√3√2?m?cosφ?IMrms=1.22?0.5?0.8?IMrms≈0.5?IMrms　　電容器 - 紋波電流 I Crms
　　交流電流流過電容器ESR引起的加熱效應(yīng)如下：
　　公式1：電容器有效值電流（I Crms）的簡化計算假設(shè)：
　　I Mrms (IPhx) = 電機(jī)相電流（安培）
　　Cos ~ 0.8（典型值）
　　m = 調(diào)制指數(shù)（上面提到的壞情況）= 0.5
　　例子：
　　我Mrms = 250A
　　 I Crms = 1.22 * 0.5 * 0.8 * 250A 0.5 * 250A = 125A盡管如此，對于三相系統(tǒng)，以下公式更合適：
　　 I Crms = 1.3 * I Mrms / 2

　　公式2：常用的電容器有效值電流（I Crms）的簡化計算

    圖 4. 具有溫度限制的 ICrms。圖片由 Bodo's Power Systems提供

      圖 5. 使用 TDK 薄膜電容器對 IFX HP-Drive 模塊進(jìn)行測量。圖片由 Mankel-Engineering.de 和 Bodo's Power Systems  [PDF]提供例子：

　　I Crms = 1.3 * 250A * 0.5 = 1.3 * 125A = 162,5A通過這些粗略計算的電容器紋波電流，您可以檢查電容器數(shù)據(jù)表（圖4），并確定哪一個適合您的設(shè)計以覆蓋該值。

　　圖 5 顯示了 PWM 逆變器電流測量的示例。
　　CH2和CH4的電流分別用羅氏線圈測量，CH3的電流則用有源交流/直流電流鉗測量。
　　CH2顯示從直流電源（在本例中為電池）抽取的電流。電流幅度的頻率為輸出頻率，疊加了開關(guān)頻率的電流紋波。電流紋波取決于直流鏈路電容和電源線的漏電感。
　　CH3顯示帶有脈寬調(diào)制紋波的相電流。電流紋波主要取決于負(fù)載電感。
　　CH4表示通過脈沖寬度調(diào)制從半橋直流鏈路電容器中抽取的電流。通過半導(dǎo)體開關(guān)的脈沖寬度調(diào)制和輸出電流的包絡(luò)，電流被驅(qū)動到負(fù)載電感中。
　　在這種情況下，當(dāng)使用HP-Drive模塊的專用電容器時，由于電容器的特定連接條件，只能測量每個半橋的電流。
　　電容器 - 紋波電壓 V r

　　公式中使用的值的解釋-（圖 6（簡化）和 7）。

　　圖 6.簡化的直流母線電壓開關(guān)紋波 (Vr)。圖片由 Rambow-Technology 和Bodo's Power Systems 提供

　　額定電壓 (直流電壓) V R =V DC紋波電壓 V ripple = V r = V pp = V pkpk

     圖 7. 直流母線電壓開關(guān)紋波 (Vr) - 修改后的曲線、結(jié)果 (藍(lán)色軌跡) 和計算的峰峰值包絡(luò)線 (紅色軌跡) 隨時間的變化；m = 0.50。圖片由 Rambow Technology 和 Bodo's Power Systems提供并修改了曲線 

額定電壓 (直流電壓) V R =V DC紋波電壓 V ripple = V r = V pp = V pkpk
　　公式3：電容紋波電壓的簡化計算
　　例如，如果OEM或Tier1指定紋波電壓（V r）為+-12V，則波形的峰值電壓（V pk）為12V，但紋波電壓為24V。
　　V Crms  = Vpk * 0.7071 = 12V x 0.7071 = 8.48V電容器 - 電容

　　計算電容C代表頻率，單位為赫茲（Hz），周期持續(xù)時間，單位為秒（s）?！=1τω=2?π?f　　

     重新排列方程式：　　C?2?π?f=ICrmsVripple

     2?π?f?C=VrippleICrms

　　方程：　

    　C=ICrms2?π?f?VrippeluF　　

    公式4：計算電容值-預(yù)計為真實(shí)！

　　例子：
　　V R或 V DC = 400V
　　f=10kHz（10000赫茲）
　　我Crms = 180A
　　V峰-峰值= V紋波= 8V
　　直流=m=0.5
　　電容可以近似地表示為：
　C=ICrms2?π?f?Vripple=1802?3.14?10?1000?8=358uF　
　　功率耗散
　　DCLink 電容器將經(jīng)歷內(nèi)部加熱，并且隨著半導(dǎo)體紋波電流頻率的增加，加熱也會增加。根據(jù)上述示例，計算低 ESR 的電力電容器損耗 - 例如 ~0.5mOhm：
　　PC = I2 Crms * R CESR
　　公式 5：電容器功率耗散
　　P C =180?A * 0.5毫歐姆 = 32400 * 0.0005 = 16.2瓦以下100kW逆變器的電容值基于實(shí)踐知識：
　　450V 系統(tǒng)為 650uF 電容器 650uF/500Vr
　　800V 系統(tǒng)為 400uF 電容器 400uF/855Vr
　　不要忘記——電容器的總發(fā)熱和溫升取決于以下主要因素：
　　自熱
　　母線上的直流電流
　　半導(dǎo)體（極片）的熱注入
　　冷卻
　　時間
　　衡量結(jié)果
　　現(xiàn)在，您已經(jīng)臨時計算了所需的電容值以選擇電容器，但您還沒有完成。在設(shè)備的終硬件環(huán)境中測量和評估結(jié)果將驗(yàn)證您的結(jié)果，而查看以下問題將幫助您防止意外的熱損壞。更多的電容不會降低紋波電壓。
　　從 可以看出，增加比所需更多的電容不會有效降低紋波電壓。使用 ~350 uF 電容可實(shí)現(xiàn) ~12V 的允許紋波電壓。500 uF 和 650 uF 之間的電容值似乎是處理電容器紋波電流的好方法?；ㄙM(fèi)更多并不劃算。
　　諧振和電容器損耗
　　電容器和開關(guān)電路之間的諧振會導(dǎo)致頻譜變寬。通常，對于 10 kHz 逆變器，人們喜歡在 100 kHz 時停止測量 - 圖 9 顯示了這樣的結(jié)果，這似乎不錯。但是，當(dāng)電容器因溫度問題而“意外”失效時，您可能會感到驚訝。該圖顯示的分析并不代表設(shè)計良好的逆變器的性能。
　　考慮高達(dá) MHz 范圍的極寬頻譜（圖 10）。
　　對于高速 IGBT 和 SiC 寬帶隙半導(dǎo)體，開關(guān)頻率可升至 20 kHz 甚至更高。重要的是，與專用于電機(jī)控制應(yīng)用的傳統(tǒng) IGBT 相比，這些元件的 di/dt 和 dV/dt 固有更高。半導(dǎo)體開關(guān)電流繼電器在 100 kHz 以上的影響下會產(chǎn)生主要損耗。因此，考慮僅高達(dá) 100 kHz 的操作帶寬沒有任何意義。至少，它應(yīng)該覆蓋來自 PWM 的所有諧波，其幅度高于總 I rms的 10% （例如，300 kHz 甚至高達(dá) MHz 范圍）。
　　這里的關(guān)鍵是什么？
　　示例 - 查看電力薄膜電容器的 ESR 以及其損耗（ESR）如何隨頻率變化：
　　根據(jù)數(shù)據(jù)表，ESR @10kHz ~ 1 x ESR
　　ESR@50kHz ~ 2 x ESR@10kHz
　　ESR@50kHz 至 100kHz ~ 4 x ESR@10kHz
　　ESR@100Khz 至 300kHz ~ 6 x ESR@10kHz
　　事實(shí)是，在上述比率下，DCLink 電容器的功率損耗將急劇增加。請記?。?br>　　PC = I2 Crms * R CESR
　　電容器的 ESR 在整個相關(guān)電流頻譜帶寬內(nèi)都應(yīng)該很低。
　　通過一些設(shè)計努力，電容器制造商和您可以大幅減少這些影響。
　　盡管如此，仍有一些其他考慮因素：
　　即使你有經(jīng)驗(yàn)，提前估計完整的頻譜也不容易。
　　顯示的所有諧波取決于您設(shè)置的脈沖寬度調(diào)制策略和參數(shù)。
　　汽車逆變器中的直流鏈電容器受到開關(guān)半導(dǎo)體及其瞬變的強(qiáng)烈影響，并且可能產(chǎn)生難以預(yù)測的高階諧波振鈴效應(yīng)。
　　選擇合適的電容器在物理上是可行的，可以使用經(jīng)典的電工方法，并且需要的寄生模型來構(gòu)建使用該電容器的功率級。這本質(zhì)上是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。但是，經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)果可以大大有助于縮短設(shè)計迭代。