《純乾貨》電機控制器母線電容的選型以及詳細分析

母線電容的定義

在電機控制器中，電池包的直流電作為輸入電源，需要通過直流母線與電機控制器連接，該方式叫DC－LINK或者直流支撐，其中的電容我們稱之為母線電容或者支撐電容或者DC－Link電容。由於電機控制器從電池包得到有效值或者峰值很高的脈衝電流的同時，會在直流支撐上產生很高的脈衝電壓使得電機控制器難以承受，所以需要選擇母線電容來連接。

母線電容的作用

母線電容的作用：

1、平滑母線電壓，使電機控制器的母線電壓在IGBT開關的時仍比較平滑；

2、降低電機控制器IGBT端到動力電池端線路的電感參數，削弱母線的尖峰電壓；

3、吸收電機控制器母線端的高脈衝電流；

4、防止母線端電壓的過充和瞬時電壓對電機控制器的影響。

母線電容的變遷

母線電容由最開始的電解電容變遷到現在普遍使用的薄膜電容，但電解電容並沒有完全消失不用，在MOS管作為功率器件的低速車或者物流車的控制器上仍然採用多個電解電容並聯使用。

豐田Prius 第一代電控就是採用的電解電容，採用的三個松下電解電容器，規格為：450V／2700uF，豐田Prius在第二代電控系統中採用了定州薄膜電容，為松下的薄膜電容，但具體的參數在圖片上看不清楚，就不做介紹。

圖1第一代Prius 電解電容

圖2第二代Prius 薄膜電容

圖3國內一家商用車早期電解電容

圖4國內一家商用車早期薄膜電容

圖5現在控制器常用定製電容

電解電容與薄膜電容的對比

1、電解電容的優點是容量比薄膜電容大；

2、薄膜電容相對於電解電容優勢；

3、薄膜電容具有更良好的溫度和頻率特性；

4、薄膜電容沒有極性，能夠承受反向電壓；

5、薄膜電容額定電壓高，不需要串聯平衡電阻；

6、薄膜電容採用乾式設計，沒有電解液洩露的危險，沒有酸汙染；

7、薄膜電容更低的ESR，更強的耐紋波電流的能力；

8、薄膜電容更強的抗脈衝電壓能力；

9、薄膜電容更長的壽命；

10、薄膜電容更加靈活的外形設計，可根據不同的需求進行定製。

圖6電解電容與薄膜電容參數對比

母線電容電壓的選擇

電機控制母線電壓除了正常的紋波電壓的波動，還包括IGBT動作時電流激烈的變化產生尖峰電壓和電機反轉時的反電動勢，薄膜電容在使用中允許有1．2倍額定電壓值的脈衝，理論上可以選擇額定電壓較低的薄膜電容。

如現在的320V的電機控制器系統一般選用500VDC的薄膜電容，540V的電機控制器系統選用900V或者1000V的薄膜電容。

母線電容容量的計算

在新能源電動汽車電機控制器的應用中，母線電容是以IGBT的載波頻率來完成充放電，在一個PWM周期內，IGBT導通時由電池組和電容器同時為電機提供能量，IGBT關斷時，電池組向母線電容充電。

我們假設電機控制器的最大輸出功率為P，電機控制器的的電路為典型的三相全橋拓撲結構。

在一個開關周期內，母線所提供的能量約為：

W＝P／（2f）

其中：

f：IGBT的開關頻率。

母線電容一個開關周期內釋放的能量為：

Q＝1／2＊C（U＋Δu）2－1／2＊C（U－Δu）2＝2＊C＊U＊Δu

其中：

U：直流母線電壓；

Δu：母線紋波電壓；

在極端情況下：Q＝W，進一步計算可得：

C＝P／（4＊f＊U＊Δu），

一般的，直流母線電壓的脈動率為5％，

即紋波電壓值：

Δu＝U＊2．5％

綜上可得：

Cmax＝P／（4＊f＊U＊U＊2．5％）

Cmax值是建立在最極端的情況下，實際應用中，一般認為IGBT開關導通的時候，母線電容提供W／2的能量，即Q＝W／2

結合前面的計算公式可得：

Cmin＝ P／（8＊f＊U＊U＊2．5％）

以上計算我們僅供設計參考，在實際應用中更多的電機控制器的母線電容容量的選取接近Cmin的值或者小於Cmin，我們在實際應用中可以根據自己不同的成本和體積綜合考慮。

母線電容紋波電流的計算

紋波電流是指流經母線電容的交流分量，電機控制器的輸出電流為三相正弦基波電流與高頻諧波電流的疊加，兩者均會在直流母線側產生相應的紋波電流。

紋波電流計算公式為：

其中：

為母線紋波電流

M為調製比。