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　　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型變頻器，設備的核心部件是作為直流儲能環節的電容器，擔負著解耦、濾波、提供無功功率等重要的功能。如果電容出現容值大幅下降、紋波電阻增大等故障， 就會導致電機電流大幅波動、轉速不穩、電容發熱嚴重， 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。而其最容易發生的容值下降、電容發熱等故障，大部分是因電容老化而造成的，為了避免電容失效而導致設備故障，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，表面經過化成形成的氧化鋁薄膜作為電介質，起絕緣作用，電解液作為實際陰極，同時起修補氧化膜作用，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大電極表面積，從而增大容量。

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

　　?電解電容工作的早期

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

　　?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。這也將導致電解質的等效串聯電阻增大，損耗增加，最終使得發熱量增大，溫升升高，進入一個惡性循環。

　　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，導致電容容量下降。因此，鋁電解電容的結構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的運維成本，使電容器在整個生命周期內都無需更換，無疑是更優解，因此金屬薄膜電容進入了考慮范圍。

　　金屬薄膜電容發展僅10年左右，早期因產量小，制造成本高。現在隨著產量的增大，制造成本顯著降低，使得其大規模的應用成為了可能。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，不會導致電解質問題，且能調整厚度以達到更高的耐壓等級，壽命長達15年以上，能夠顯著降低產品生命周期的運營費用。憑借上述幾項適合變頻器應用的優勢，金屬薄膜電容引起了利德華福的關注。

　　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”，自身條件需要相當優秀。在變頻核心部件的“崗位爭奪戰”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勢。應用金屬薄膜電容，能夠大幅提高變頻器的可靠性，顯著降低電容導致的變頻器的運營維護成本，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品上擔任重要“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致的過壓損毀問題，為變頻器的設計和運行帶來了更加積極的變化：

　　?變化：更優異的設計(見圖2)

　　?變化：更堅強的品質

　　圖 2 設計方案比較

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

　　而采用金屬薄膜電容作為直流母線電容，可進一步提高整個高壓變頻器的可靠性和穩定性，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的選擇關系到整個產品的設計和品質。在如此重要的元器件上，利德華福是如何進行選擇的?

　　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 分鐘設計，充分考慮現場使用中可能出現的過負荷工況， 確保設備持續、穩定運行;

　　?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150℃。

　　(2)IGBT的額定電壓選擇

　　?電網過電壓

　　IGBT需要可以耐受電網波動導致的電壓升高，通常為110%~130%電網額定電壓;

　　?關斷過電壓

　　IGBT需要可以耐受關斷時，電路上的感性負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過電流時導致的過電壓， 并可靠關斷。

　　(3)封裝更新，順應變頻發展

　　由于變頻器的封裝形式關系到控制回路和主回路的布局設計，同時進一步影響電路的電氣性能， 所以IGBT 的封裝也要不斷變化，  順應變頻器的發展需要。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的發展逐步提高，目前最新型的小功率IGBT模塊已經可以將整流，逆變電路集成在一個模塊內，實現高壓變頻的完整拓撲。此種一體式模塊的功耗與分立器件在不高于傳統三模塊設計前提下一致。這樣的封裝大幅簡化設備結構和體積，減少器件間的線纜連接和故障點，提高設備的穩定性。

　　?更強的整流二極管芯片

　　采用整流二極管芯片(一體式模塊)可以使整流橋耐壓進一步提升至2000~2200V(對比傳統的1800V耐壓)，并且浪涌電流耐量(I2t，IFSM)也進一步增強， 能有效防止電網電壓波動及沖擊電流造成的失效。

　　圖 4 采用更強的整流二極管

　　?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，使用疊層母線設計，減小母線雜散電感，降低IGBT上的關斷尖峰電壓，延長IGBT使用壽命。

　　(4)內置測溫，精準核心保護

　　IGBT保護的核心是溫度保護，因此IGBT的核心溫度測量就非常關鍵，傳統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，離發熱源較遠;

　　?檢測結果偏差大;

　　?溫度檢測響應慢，時間常數大;

　　?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模塊內置溫度檢測方案，在IGBT模塊內部安裝測溫元器件，使溫度傳感器能夠采集實際溫度值，并且發送給主控系統，從而實現了以下功能：

　　?集成在IGBT內部，接近發熱源;

　　?檢測結果更準確;

　　?溫度檢測時效性高，響應快;

　　?實時溫度數值顯示。

　　這種新型IGBT，可以進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計帶來了新潮流， 最新推出的第七代高壓變頻產品， 御電新生， 未來可“七”!