逆变电源直流母线纹波电流分析与抑制研究

摘要：逆变电源直流母线的纹波电流是决定逆变电源稳定工作的关键因素之一。纹波电流过大会严重缩短直流母线电容寿命。通过对逆变电路的分析建立了计算逆变电源的纹波电流和最小电容值的计算公式，进而选取合适的电解电容以减小纹波电流并维持系统稳定运行。利用Matlab仿真软件，进一步验证了直流母线电容选取原则的可行性。
关键词：逆变电源；直流母线电容；纹波电流

1 引言
随着电力电子技术的发展，基于PWM的电压型逆变电源得到广泛应用。该逆变电源中间有直流储能滤波环节，一般采用大容量的电解电容。目前，电解电容的技术比较成熟，且价格便宜，被普遍应用于直流母线。但在工程设计中，直流母线电容的参数选择一直困扰着工程人员。通常认为，不考虑成本和输入功率因数，容值越大越好，但容值的增加不一定会减小电容损耗，而且出于成本及可靠性考虑，还须尽可能地减少直流侧电容值。目前对于直流母线电容的研究较多。此处通过对逆变电源母线电容纹波电流的计算及对母线电压纹波的分析计算来选择直流母线电容参数，能有效避免因选择电容过大造成纹波电流增大所产生的损耗，并能有效抑制电压波动，减小电容成本，为实际工程设计提供了良好的依据。

2 选择电容器的方法
2．1 电容纹波电流的计算
纹波电流指流过电容的交流电流。当纹波电流过大，超过电容的承受能力时，会造成电容温度过高，严重影响其工作寿命。因此在选择电容时，必须考虑到电容通过纹波电流的能力。电容器的纹波电流受逆变电源各输入输出量变化及控制方法等诸多因素的影响，很难直接通过计算得到，通常多根据经验或计算机仿真的方法来估算。如果推导出一个电容器纹波电流的表达式，在设计逆变电源系统直流母线电容时将具有明显优势。根据对逆变电源拓扑结构的分析，可得到计算直流母线电容器纹波电流的方法。图1示出电压型逆变电源的拓扑结构。

由图1可知，流过直流母线电容的纹波电流ic为整流输出电流i1和逆变器输入电流i2的差值，即：ic=i1-i2。i1和i2又可分别分解为直流分量和交流分量两部分：

由上式可知，电容中的纹波电流有效值是由整流输出的交流分量和逆变器输入端的交流分量两部分组成。
整流输出的通过电容纹波电流计算公式如下。设参数λ=△u／Umax，△u为直流母线电压波动，Umax为整流输出电压的最大值。

从上式可知，纹波电流与M，cosφ，λ，C等因素有关。其他参数恒定的条件下，电容值越大电容纹波电流越大，电容产生的热量越多，造成的损耗就越大，严重缩短电容寿命。
2．2 电容容值的计算
经过三相不可控整流后输出电压为6倍频的周期波动电压，如图2所示。图中，ua，ub，uc为三相输入相电压；uc为整流后未加电容的电压；ur为加电容后的整流输出电压，由图可知：


因此这里提出的计算方法在计算电容最小值选取时主要考虑的是逆变器直流侧输入等效阻抗R及母线电压波动范围λ。

3 验证
逆变电源参数：三相输入电压为380 V／50 Hz，输出功率为7．5 kW。假设直流母线电压波动为5％，cosφ=0．85，M=0．9。
按照所提出的计算方法，直流母线电容参数为：

通过式(9)可得，Ic.rms=43．2 A。因此，此处选用1 500μF／450 V，能够通过纹波电流为16．5 A的电解电容，采用四串四并的结构，那么等效电容C=1 500μF，可承受电压为1 800 V>1 539 V，能够通过纹波电流有效值为56．4 A>43．2 A，满足使用要求。C=1 500μF时直流母线电压波形和母线电容纹波电流波形如图3所示。

根据以往经验选定的直流母线电容值需保留很大的裕量，依据经验选定C为3 000μF的电解电容。通过仿真分析得到直流母线电压波形和母线电容纹波电流波形分别如图4所示。

对比图3，4可知，两组电容值都有效抑制了电压波动，波动范围都小于5％，符合要求，如图3a和图4a所示。但由图3b和图4b可知，通过大电容值所产生的电流纹波明显增大，会造成损耗增大，缩短电容寿命，且大电容造价高，会增加设计成本。因此，综合考虑电容值不宜选取过大，此处提出的方法在实际应用中比较适用。

4 结论
通过对逆变电源直流母线电容纹波的计算和直流母线电压分析，通过公式计算所得到的电容值相比依靠经验所取得的电容值小，能有效地减小电容的电流纹波，减小损耗，很大程度地降低成本。关于直流母线电容的算法已在实际中应用，并取得了良好的效果。