摘 要

随着新能源产业的高速发展，对高性能功率变换器系统要求更趋于体积小、效率高、成本低以及可靠性高， 其对变换器中体积大、可靠性低的DC-Link电容也提出了高性能需求。

DC-Link电容器，又称直流支撑电容器，常用于逆变电路整流输出侧对电压平滑滤波，同时吸收来自逆变侧的高幅值脉动电流；而DC-Link电容模组由于其布局与电容模型等参数的变化会带来不同的寄生参数影响，导致电磁干扰效应，这些影响都会使DC-Link电容作用受到一定程度限制。因此，研究DC-Link无源电容模组相互之间的电磁效应具有十分重要的意义。

本文主要研究如下：

1、了解DC-Link电容在不同电路中的存在意义及工作机理；讨论比较常用于DC-Link电容的铝电解电容和金属薄膜电容的性能，并研究电容器的主要参数，以及两个对于电容器高频特性影响较大的寄生参数等效串联电感和等效串联电阻。

2、了解电磁兼容的含义以及相关EMC标准，分析EMI产生机理和作用机理，论述DC-link电容模组的EMI效应。

3、对有限元理论进行介绍，通过搭建单相逆变电路，验证从理论上对电容模组在电路中的作用分析；构建DC-link电容仿真模型；通过仿真得出的空间磁场分布，对比得出通过优化布局以减小对周围器件的EMI影响的方案。

关键词：DC-link电容；单相逆变；Maxwell有限元仿真

Abstract

With the rapid development of the new energy industry, the requirements for high-performance power converter systems tend to be smaller, more efficient, lower in cost, and more reliable. They also demand high performance for large-volume, low-reliability DC-Link capacitors in the converter.

DC-Link capacitors, also known as DC-supported capacitors, are commonly used for voltage smoothing filtering on the rectified output side of inverter circuits, while absorbing high-amplitude ripple currents from the inverter side; DC-Link capacitor modules due to their layout and capacitance models changes in other parameters can cause different parasitic parameters, resulting in electromagnetic interference effects, which will limit the DC-Link capacitance to a certain extent. Therefore, it is of great significance to study the electromagnetic effects between DC-Link passive capacitor modules.

The main research of this paper is as follows:

1. Understand the existence and working mechanism of DC-Link capacitors in different circuits; discuss the performance of aluminum electrolytic capacitors and metal film capacitors commonly used for DC-link capacitors, and study the main parameters of capacitors, and two for capacitors. The frequency characteristics affect the parasitic parameters ESL and ESR.

2. Understand the meaning of electromagnetic compatibility and related EMC standards, analyze the mechanism and mechanism of EMI generation, and discuss the EMI effect of DC-link capacitor modules.

3. Introduce the finite element theory, verify the theoretical analysis of the role of the capacitor module in the circuit by constructing a single-phase inverter circuit; construct a DC-link capacitor simulation model; compare the spatial magnetic field distribution obtained by simulation, compare a solution is obtained by optimizing the layout to reduce the EMI impact on surrounding devices.

Key words: DC-link capacitor; single-phase inversion; Maxwell finite element simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 电力电子装置的电磁干扰 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本文主要工作 4

第2章 DC-Link电容简单模型及主要参数 6

2.1 DC-Link电容简单模型 6

2.2 DC-Link电容的主要参数 7

2.2.1 电容器的电压 8

2.2.2 电容器的容量 8

2.2.3 电容器的纹波电流 8

2.3 DC-Link电容的寄生参数 10

2.3.1 等效串联电阻 10

2.3.2 等效串联电感 10

2.4 本章小结 11

第3章 DC-Link电容模组的电磁分析 12

3.1 电磁兼容 12

3.1.1 电磁兼容的含义 12

3.1.2 电磁干扰及其危害 12

3.1.3 DC-Link电容模组的EMI效应 13

3.2 三维电磁场有限元理论 14

3.2.1三维网格剖分单元和系数矩阵 14

3.2.2三维静磁场计算原理 16

3.3 本章小结 17

第4章 DC-Link电容模组电磁仿真 18

4.1 DC-Link电容模组的电路仿真 18

4.1.1理论分析 18

4.1.2电路仿真验证 18

4.2 DC-Link电容模组的电磁仿真 23

4.2.1 方形电容平行排布和并列排布ESL对比 23

4.2.2 方形电容不同排列方式ESL对比改进 25

4.2.3 圆柱形大电容与拆分成多组小值电容ESL对比 27

4.3 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 31

致谢 34

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

随着 “节能减排”、“开发新能源”等基本国策的落实与深入发展，我国绿色能源产业快速崛起。而在绿色能源产业的发展推动下，作为电能变换的关键环节——电力电子技术已迅速发展成为践行创新驱动发展战略、建设节约型社会、促进国民经济发展的重要支撑技术之一。

如今高性能功率变换器系统要求更趋于体积小、效率高、成本低以及可靠性高，其对电力电子变换器中体积大、可靠性低的DC-Link电容提出了高性能的需求，如图1.1所示。

图1.1 DC-Link电容主要性能指标的未来改善方向

功率变换器的模块化发展利于使其结构紧凑、体积减小、加工方便，更利于缩短互连导线、减小寄生参数，是实现高性能功率变换器的又一有力方法^[2]。电力电子电路的模块化对DC-Link电容提出了模块化发展的需求和挑战。DC-Link电容模组由于其布局与电容模型等参数的变化会带来不同的寄生参数影响，包括ESL（串联等效电感）和ESR（串联等效电阻）等均会带来不同的EMI（电磁干扰）效应，而这些影响都会使DC-Link电容作用受到一定程度限制。因此，研究DC-Link无源电容模组相互之间的电磁效应具有十分重要的意义。

1.2 电力电子装置的电磁干扰

在同一电磁环境中，电气电子设备与其它的设备可以相互兼容、正常工作^[1]，即认为系统电磁兼容（EMC），而工程设计中已将它作为一项重要设计标准。电磁兼容从两个直观的方面来考虑，包括电磁干扰和电磁敏感性。为了实现设备电磁兼容，应该降低功率变换器系统的电磁发射水平和电磁敏感性，保证EMC在设计规范内。

最初在通讯系统中提出的电磁干扰（EMI）问题，随着开关技术突破和功率变换系统大量使用，电力电子系统中出现的电磁干扰问题越来越频繁，学者们对于电磁干扰的研究也日益增多。

在实际应用中，电力电子功率变换装置的电磁干扰问题存在以下特征：

（1）高变化率。在通讯系统的信号频率远高于功率变换装置的开关频率的情况下，它的处理的功率、工作电流和工作电压都更高。装置内的功率开关器件在开关过程中会产生非常高的电流和电压变化率，即非常高的与，高电流、电压变化通过电路中寄生参数（寄生电感和寄生电容）产生强烈的瞬态噪声^[2]，对电路设备极其不利。

（2）多干扰途径。电路中开关器件在电路中引起的电磁噪声成为了功率变换装置的主要干扰源，主要通过传导干扰，干扰同一电路中其他元件正常工作，从而导致一系列不良影响。辐射电磁干扰主要存在于高频、高功率电源设备中，如高频感应加热电源、等离子体电源等^[3]。更为严重的是，当电力电子变换装置与电网连接，电磁干扰也会导致市电谐波电流和噪声进入到电网中，造成电网污染，并影响连接到同电网的其它设备的正常工作。

要准确并量化认识电力电子装置的电磁干扰问题，先要对电力电子装置各个分立元件进行建模，如无源元件模型（必需要提取其内部寄生参数），从而可以用电路仿真软件和电磁场仿真软件对EMI特性进行评估，然后组建整个系统的EMI仿真模型，使用软件分析，分析的结果可为电力电子功率变换装置电磁干扰优化设计提供指导方案。

1.3 国内外研究现状

目前，针对DC-Link电容的设计方法多种多样，没有统一可查的规则和标准。在实际工程中，常常在初步计算的基础上，根据经验增加一定的裕量来实现电容的选型与设计^[4]，在学术界，针对高性能功率变换器DC-Link电容模组的选型与设计已经从多角度进行了建模分析与研究。

图1.2为影响DC-Link电容参数的国内外研究现状。DC-Link电容的主要作用包括：吸收纹波电流来减小电压波动、为负载突变提供能量支撑以及抑制电压尖峰^[5]。DC-Link电容的简化等效电路模型为R-L-C串联电路，其电压纹波取决于流过DC-Link电容的电流、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感(ESL)^[6]。流过DC-Link电容的电流成分包括：低频纹波^[7]、开关频率纹波^[8]以及背景谐波^[9]。DC-Link电容的ESR和ESL与频率和温度有关，文献[10, 11]建立了ESR和ESL的频率、温度特性模型，量化了电容的电压纹波。

图1.2 DC-Link电容参数的国内外研究现状

在含较小DC-Link电容的光伏发电逆变系统中，恒功率输出工况下，负载快速变化会导致DC-Link电容上出现过电压尖峰甚至带来系统不稳定问题^{[12, 13]}，在含较小DC-Link电容的电动机驱动系统中，再生制动模式下，DC-Link电容出现过压故障^[14],同样在含较小的DC-Link电容的风力发电系统中^[15]，DC-Link电压过高甚至系统不稳定。文献[12]-[15]描述了电力电子电能变换系统中，DC-Link电容过小可能会导致DC侧产生过动态电压甚至系统不稳定问题。

从以上分析可知，流过DC-Link电容的电流含量丰富，电压纹波和尖峰受DC-Link电容的电-热-磁相互影响而变化。需要对各类DC-Link电容特性进行研究。通常DC-Link电容主要有铝电解电容、薄膜电容以及陶瓷电容三种类型，三种类型电容的耐电流纹波能力和电-热-磁特性主要由介电材料的性质决定^[6]：铝电解电容能量密度高和每焦耳成本低，但具有比较高的ESR、低耐纹波电流能力以及由于电解质蒸发的老化问题；陶瓷电容尺寸小、频率范围宽和工作温度高，然而它成本高和机械灵敏度高；薄膜电容在成本、ESR、容量、纹波电流能力以及电压应力等方面具有优势，但它有体积大和工作温度不太高等缺点，而且薄膜电容在潮湿环境下同样存在可靠性问题^[16]。DC-Link电容模组由一种或者多种电容混合构成，它可以充分利用不同种类电容的优点。DC-Link电容模组中，有的采用薄膜电容代替电解电容来改善系统可靠性^[17]；有的采用电解电容和薄膜电容并联^[18]、电解电容和陶瓷并联电容^[19]以便发挥各自优点。文献[16]-[19]针对DC-Link电容模组的研究，定性地分析了各类型电容所构成电容模组的基本特性。

根据系统要求和用户约束来构造DC-Link电容器模组，可能存在有多种设计方案，每种方案的优缺点，需要进一步的建模分析。通过在风电变流器中建立DC-Link电容的电-热模型，研究不同工况DC-Link电容温度分布以及进行电容寿命评估；在光伏变换器中，考虑不同运行工况下，建立DC-Link电容瞬态电-热模型，对基于长时间尺度任务剖面的DC-Link电容可靠性进行了评估^[20]；针对风电变流器的DC-Link电容模组，建立几何结构模型，进行散热系统的设计^[21]；针对DC-Link电容，通过优化散热器设计来减小热阻，提高电容器模组散热性能^[22]。文献[20]-[22]建立了单个电容或电容模组的电-热模型，进行了DC-Link电容器可靠性评估和散热设计。从电容模组的电-热模型到可靠性评估和散热设计已经将电容电-热进行了比较深入分析与研究，电容模组电-磁特性关系需要进一步研究。

图1.3 包含寄生参数的DC-Link电容模组等效模型

DC-Link电容模组的布局和互联技术对电容模组的性能有很大影响。图1.3为多个电容串并联组合构成电容模组等效电路图，模组集成多个电容，实现模块化，只有两个端子与外界连接。在高性能功率变换器中，开关管的开关速度快，DC-Link电容自电感和线路连接的杂散电感在开关管关断时刻会产生大电压尖峰，增大DC-Link电容和开关管的电压应力，严重危及电力电子变换器的使用寿命。电容大小不一致时，弯曲的母线会增大寄生电感ESL^[11]，因此，不同类型的电容必须通过合理的布局来减小ESL。CREE公司在SiC MOSFET模块的设计中，通过优化DC-Link电容模组构成和布局来减小模组本身ESL和寄生电感ESL以达到模块性能的最优化^{[23, 24]}。文献[25]在基于GaN的DC-DC变换器模块中，针对DC-Link电容PCB布局中的寄生电感，在Maxwell软件中进行仿真，得到PCB板各层之间的环路电感值。文献[23]-[25]定性提出了DC-Link电容布局对电路ESR和ESL的影响，利用电-热或电-磁有限元仿真在特定应用下进行设计验证。

1.4 本文主要工作

高频应用情况下，直流DC-Link电容模组内部寄生参数影响不可忽略，本文在了解直流DC-Link电容模组研究现状基础上，对DC-Link电容的简单模型及主要参数进行介绍，结合电磁干扰耦合途径分析直流DC-Link电容模组的EMI效应；通过电路仿真验证DC-Link电容工作机理，使用有限元仿真软件研究直流DC-Link电容模组的电磁特性问题。

第一章主要介绍国内外对直流DC-Link电容模组电-热-磁方面的研究，了解电力电子装置电磁干扰问题。

第二章介绍DC-Link电容，了解其在不同电路中的存在意义及工作机理；了解其重要参数和选型；并研究DC-Link无源电容模组的寄生参数及相应的模型构建。

第三章进行直流DC-Link无源电容模组电磁兼容分析；阐述电磁场基本理论和三维磁场有限元理论。

第四章利用Maxwell有限元仿真软件建立仿真物理模型，研究DC-Link电容模组寄生参数带来的影响，验证优化布局以减小对周围器件影响的方案。

第五章内容主要是对本文研究工作进行总结和未来的展望。

第2章 DC-Link电容简单模型及主要参数

电容器作为电力电子变换电路中的重要器件，在电路中常用于隔直通交、能量转换、旁路滤波、调谐回路、耦合、控制等方面^[26]，了解其工作原理对选型应用具有重要指导意义；由于工艺局限，使得电容器本身存在寄生参数，在高频情况下，寄生参数的影响进一步放大，研究寄生参数带来的影响，对优化布局减小电磁干扰效应尤为重要。

2.1 DC-Link电容简单模型

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