母线电容选型-车用电机控制器

母线电容选型-车用电机控制器

在新能源汽车电机控制器中，母线电容的选型是一个关键环节。本文详细介绍了薄膜电容在新能源汽车电机控制器中的应用，包括其特性、作用、选型方法以及具体的计算示例，为相关领域的技术人员提供了有价值的参考。

1. 特性说明

电解电容与薄膜电容特性参数对比：

另外，薄膜电容具有自愈能力，一个点的缺陷不会影响整个薄膜电容的正常使用；较低的ESR，可承受较大的纹波电流；较低的ESL很好的贴合逆变器母线的低电感设计要求，减小了IGBT开关动作时的电压尖峰；可根据自己产品结构特点，定制适合自己的薄膜电容尺寸形状。

由于以上的诸多优点，薄膜电容在新能源电机控制器中使用的很普遍。

2. 作用说明

母线电容主要有两个作用：

a. 平滑母线电压，使得母线电压在IGBT开关的作用下仍较为平滑；
b. 降低IGBT端到电池端的线路电感，降低母线上的尖峰电压；

下面结合LTspice仿真来进行说明：

平滑母线电压

电池电压336V，电池内阻假设为0.1Ω，比较有/无母线电容之间的区别。

增加母线电容后，纹波电压大幅度减小，利用电容的隔直通交原理，滤掉了母线电压上的大部分频率较高的电压分量。

有母线电容波形中：波形的上升部分，为电池对电容充电，电容吸收功率；波形的下降部分，为电容对逆变器放电，电容放出功率；

因此在计算母线电容的电容量时，只需要考虑母线的充电时间即可，也就是半个周期工作。

降低母线电压尖峰

主电路中接入母线电容后，IGBT到电池端的线路电感被分为两部分：

a. IGBT到母线电容的线路电感L1；
b. 母线电容到电池端的线路电感L2；

由于母线电容对线路电感的分割，IGBT关断时所产生的di/dt主要反馈在L1上，L2的di/dt可以忽略不记；也就是说母线电容的介入减少了一部分母线的寄生电感，降低了IGBT上的尖峰电压。

3. 薄膜电容选型

额定电压选择

控制器的母线电压除了正常的纹波电压波动外，还包括IGBT开关和闭合时由于电流激烈变化而产生的尖峰电压，以及电机反转时产生的反向电压。早期的车用直流母线电容器主要采用电解电容，电解电容要求使用过程中不能有超过1.2倍额定电压的脉冲值，所以很多控制器厂家选择直流母线电容的时候往往选择额定电压比母线尖峰电压高的电解电容。但薄膜电容在使用中允许有超过1.2倍额定电压值的脉冲，所以理论上可以选择额定电压较低的薄膜电容。根据目前市场上的主要应用信息，总结如下：

• 280V左右的电池组一般选择额定电压为450V的薄膜电容；
• 300V-350V的电池组一般选择额定电压为450V或500V的薄膜电容；
• 350V-400V的电池组一般选择额定电压为500V、550V或600V的薄膜电容；
• 450V-550V的电池组一般选择额定电压为700V、750V或800V的薄膜电容；
• 550V-650V的电池组一般选择额定电压为850V或900V的薄膜电容；

电容量计算

薄膜电容一个开关周期内释放的能量为：

实际应用中，一般认为在IGBT开关导通的时候，母线电容为逆变器提供半周期的能量

因此得到计算电容的两个公式，实际选取薄膜电容值可在这个区间范围内选择：

纹波电压

直流母线电压的波动通常按照5%来计算，即纹波电压值为：

纹波电流

以下计算纹波电流的方法只适用于SVPWM调制的逆变器；其他PWM调制策略的逆变器，可利用对直流母线电流进行频谱分解的方式来实现，或参考这篇文章《A General Analytical Method for Calculating Inverter DC-Link Current Harmonics》。

Ib为电池组输出的电流；Id为逆变器的输入电流，包含直流分量和交流分量，Ic为流入薄膜电容的交流分量。

Id=Ib+Ic （关于这个公式的说明，请查看附录）

流入逆变器的电流包含直流分量和交流分量

Id=Iac+Idc=Iac+Iavg

随着频率的升高，电池阻抗变大，母线电容阻抗变小，高频分量都流入母线电容；因此，可以认为电池组提供直流分量电流，母线电容流过交流分量。

Idc=Iavg=Ib，Ic=Iac，Ic=Id-Idc

流入逆变器的有效值电流为：

流过母线电容的有效值电流为：

I.out_p_rms为逆变器输出相电流有效值，M为调制比，φ为相移角

当φ=0，M=0.613时，可以得到直流母线电容最大有效值纹波电流，上述公式可简写为：

图中的黑线对应φ=0，M=0.613，可以看出在各种调制比、功率因数情况下，为直流母线电容最大有效值纹波电流。

4. 计算示例

附录：

关于这个纹波电流的公式，在期刊论文中，发现有两种不同的算法：

a. 算法1

Id=Ib+Ic

这种计算在有些电机控制器的文章是这样表述的

b. 算法2

Ib=Id+Ic

三相交流输入的逆变器都是这样表述的，有些直流电池组供电的也这样表述

因此，用LTspice验证一下，直流电池组供电，应该用哪个公式：

Id(M1)+Id(M3)+Id(M5)用LTspice的电流探头进行测试的；-(I(C1)+I(V3))为手动将Ic、Ib两个波形相加，并取反把两个比较的纹波电流方向调成一致。

把-(I(C1)+I(V3))和Id(M1)+Id(M3)+Id(M5)放在一起显示

两个波形是完全重合的，说明对于直流电池组输入供电的场合，Id=Ib+Ic是正确的。

参考资料

1. 车用DC-Link电容器的选择和主要电参数估算
2. 薄膜电容替代电解电容在DC-Link电容中的运用分析