母线电容寿命计算
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2 j 1 n
谐波次数，选取最高150次谐波，计算损耗
Th Ta PLoss RTh
当风速低于1m/S，根据厂家提供经验数据Rth=7.2 °C/W
Lop Kv A 2( BTh / C ) Hours
Kv与电容工作电压有关，3A3-30K 中BUS电压360V，根据厂家提供参数Kv=1.49； A=6000,表示当电容内部温度85 °C时，电容寿命6000Hours,此参数厂家提供；
3A3-30K BUS电容寿命的分析
报告人：田寿龙
报告目录
电解电容的寿命问题 电解电容的模型和ESR特性 分析电解电容寿命的主要步骤 3A3-30KBUS电容寿命的分析 总结
一，电解电容的寿命问题
电解电容的寿命问题
电解电容的失效原因，当温度升高时，电解电 容的电解液会挥发，导致容值变小，漏电流增 大，ESR增大； 当以上任一指标超过规格时，我们认为电容失 效； 电容的寿命取决于电解液的挥发速度。 影响电解电容寿命的因素：主要热影响（焊接， 外界温度，纹波电流）其次，还有施加高压； 施加反压等异常影响。
4.1 3A3-30KBUS电容设计要求 和选用电容介绍
3A3-30K设计中，要求25度条件下，电容寿命7年。 RIFA 公司的PEH506YEQ4180M4 1800uF*10个,正负BUS各5个 ESR Value=59mOHM, at 20 °C 100Hz
0.08 ESR(OHM) 0.079 Esr_cap_20( F) 0.06 Esr_cap_30( F) Esr_cap_40( F) 0.04 Esr_cap_50( F) Esr_cap_60( F) 0.02 0.015
Βιβλιοθήκη Baidu
0
1.24710
4
0
0
50
100
150
0 0
50 j
100
150 150
0 Fig1. I_CAP_PFCj电流谐波分析120
Fig5. I_CAP_INV电流谐波分析
33.144
40A
I _ CAPj ( I _ CAP _ PFCj ) 2 ( I _ CAP _ INV j ) 2
0
0
0 0
0.005
0.01 t ( i)
0.015 s 0.02
说明：本 文以RCD 满载为例 进行分析
Fig1. R,S,T 输入电流
80 80A 60 Icapapfc_nl i 40 20 0 0
Fig2. 三相PFC 正BUS DIODE电流
28.576 40A
effh( Icapapfc_nl j)
20
0 0
0.005
0.01 t ( i)
0.015
s 0.02
0.02
8.49410
4
0
0
50
100
150
Fig3. PFC流进电容的电流I_CAP_PFC
0 j 120 Fig4. I_CAP_PFC 电流谐波分析
4.3.2 从BUS电容流出到逆变 的电流分析-I_CAP_INV
R S T
20 °C
30 °C 40 °C 60 °C 50 °C
0
0 50
500
1000
1500 F
2000
2500
3000 2.9510
3
F(Hz)
RIFA 1800uF电容ESR和温度,频率的关系
4.2 3A3-30K 主线路图
I_CAP_PFC_S PHASE_S I_CAP_PFC_T PHASE_T I_CAP_PFC_R +BUS Q_PFC_R1 PHASE_R I_CAP Q_INV 2
二，电解电容的模型和ESR特性
2.1电解电容的等效电路模型
电流流过电容时，会发生损耗，这个损 耗主要是由电容的ESR引起。
2.2电解电容ESR的特性
随着电容 温度的上 升和频率 的升高， ESR减小
三，分析BUS电容寿命的步骤
3.1 分析BUS电容寿命的步骤
分析电容谐波电流
使用MATHCAD软件 进行分析.通过分析 PFC和INV的谐波电 流得到BUS电容的 谐波
4.4.1 时域法分析BUS的谐波电 流
时域分析法，是指在时域范围内，使用PFC电 容电流减去INV电容电流，得到电容电流时域 函数，对其函数傅立叶分解得到各次谐波的电 流。对于PFC和INV开关频率相关的条件下， 此方法适用于PFC和INV开关频率相关的条件下, 在此条件下能够比较精确的分析谐波电流。
0.015 S 0.02
t ( i) INV电容电流波形
A
200
25.241
40A
Icap_nli
0
effh( Icap_nl j)
20
200 A
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0.01
0.015 S
1.56710
3
0
Fig3. 电容电流波形 t ( i)
50 100 150 0 Fig4. 时域分析法电容电流谐波分析 j 150
I _ CAP(t ) I _ CAP _ PFC(t ) I _ CAP _ INV (t )
4.4.2 运用时域分析法分析电容 谐波电流的结果
IcapT I3_inv_nlt ( ( i) ) modinv3t ( ( i) )
80 80A 60
200
200 A
i
apapfc_nl i
B=85，表示电容温度参考点，与电容温度规格相同；
C=12，厂家提供参数。
4.8 BUS电容的寿命分析结果
以频域分析得到的电容谐波结果进行BUS寿命分析，假设电 容内部温度为40 °C, 50 °C, 60 °C时，分别推算出Ploss, Ta, Life如下表. 通过量测电容表面温度，可以推算出电容寿命。3A3-30K在 常温常压，RCD 满载条件下测得，电容表面光温度最高为 32度，因此可以根据下表判断，电容寿命大于7年。符合设 计要求。
0
32.366
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100 Icapainv_nl i 0 50 0 0 0.005 0.01 t ( i)
effh ( Icapainv_nl j)
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1.24710
0.015
4
0
0 0
50 j
100
150 150
0.02
Fig.3 由电容流出到逆变的电流I_CAP_INV
Fig4. I_CAP_INV电流谐波分析
I _ CAPj ( I _ CAP _ PFCj ) 2 ( I _ CAP _ INV j ) 2
4.5.2 频域分析法分析电容谐波 电流的结果
28.576 40A
32.366
A 40
apapfc_nl j)
20
effh ( Icapainv_nl j)
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8.49410
4
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0
0
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0
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50
100
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Fig1. 时域分析法电容电流谐波分析 0 j 150
j 150 Fig2. 频域分析法电容电流谐波分析
低频电流0-60次谐波 高频60-150次谐波
时域分析法
频域分析法
32.8A
39A
1.74A
1.7A
4.7 计算公式的参数选取
PLoss P(1) P( 2) P(3) ... P( n ) I ( j ) ESR( j )
Th Ploss
Ta Life
40°C 2.026W
25.4 °C 13.7年
50 °C 1.722W
37.6 °C 7.7年
60 °C 1.555W
48.8 °C 4.3年
总结
本文主要是介绍BUS电容谐波电流的分析 方法及其寿命的计算.希望帮助我们在设 计之初, 可以更好的选择和使用BUS电容. 本文所推导出的结果,尚未得到试验验证, 接下来,将尝试测试电容内部温度,来验证 本文关于电容寿命的分析方法。
3.3 电容损耗和内部温度的计 算公式
将每次谐波电流引起的损耗相加.
2 2
P tot P (1) P ( 2) P (3) ... P ( n)
I (1) ESR(1) I ( 2) ESR( 2) ... I ( n) ESR( n)
计算电容内部温度Th, Rth为电容的热阻 其值和风速等有关,Ta表示电容表面温度
60A I1_res_nl( t ( i) ) I2_res_nl( t ( i) ) I3_res_nl( t ( i) ) 20 40
R
S
T
46.895
60A
R
S
T
I1res_nl( t ( i) ) 40 I2res_nl( t ( i) ) I3res_nl( t ( i) ) 20 0 0 0.005 0.01 t ( i) 0.015s
1
I_CAP_INV_S I_CAP_INV_T I_CAP_INV_R
+
Q_INV 1 L1
C1 1800u*5 Q_INV 3
2
0
+
C3 1800uF*5 -BUS Q_INV 4
0
Q_PFC_R2
C2
PFC
D_PFC_R1
INV
4.3.1 PFC流进BUS电容的电流 分析-I_CAP_PFC
THANKS!
0
I _ CAPj ( I _ CAP _ PFCj ) 2 ( I _ CAP _ INV j ) 2
4.5.1频域法分析BUS的谐波电 流
频域分析法，是指在频域范围内取 I_CAP_PFC和I_CAP_INV各次谐波的正交 量，作为电容电流的各次谐波。 这种方法适用于PFC和INV开关频率不相 关的情况下，能够粗略估计BUS电容的谐 波,适用比较广。
计算电容的损耗 和温度
根据电容的谐波电 流和ESR值，计算 每次谐波电流引起 的损耗，并求和， 得到总的电容损耗, 然后计算出电容的 温度.
计算电容寿命
根据计算出的电容 的内部温度，和厂 商提供的计算公式 求得电容的寿命。
3.2 谐波电流的分析方法
首先求得电流的函数I=f(t) 对电流函数进行傅立叶分解求得各次谐波 的有效值，就是电容的谐波的电流
Th Ta PLoss RTh
3.4 计算电容寿命的公式
Lop Kv A 2( BTh / C ) Hours
A 参数是指在参考温度下的寿命,其值电容 直径有关 B 是参考温度,对85度电容,其值为85.
C参数根据电容类型由厂家
Kv 是指电容电压参数，厂家提供
四， 3A3-30KBUS电容的寿命分析
100
40 20
Icapainv_nl i 0
0 0 0.005
0
0
Fig1.
50 0.01Icap_ nl 0.015 0.02 Icapap fc_n l SIcapai 0 nv _ nl 0.005 i i i t ( i ) 0.02 0 PFC电容电流波形 Fig2.
0.01
200 IcapRi IcapS i IcapTi 0 50 0 0.005 0.01 t ( i) 0.015 100 200
A
R
S
T
Fig.1 逆变电感电流R,S,T相
200 200 A
IcapT I3_inv_nlt ( ( i) ) modinv3t ( ( i) )
i
Fig.2 逆变三相Q_INV1电流波形 0.02
I capa_pos_nlj 20
0
0
0 0
50 j
100
150 150
Fig3. 频域分析法电容电流谐波分析
4.6 两种谐波分析方法的比较
两种方法的结果，整体上比较接近.
33.144 40 A
25.241
40A
effh ( Icap_nl j)
20
I capa_pos_nlj
20
1.56710
谐波次数，选取最高150次谐波，计算损耗
Th Ta PLoss RTh
当风速低于1m/S，根据厂家提供经验数据Rth=7.2 °C/W
Lop Kv A 2( BTh / C ) Hours
Kv与电容工作电压有关，3A3-30K 中BUS电压360V，根据厂家提供参数Kv=1.49； A=6000,表示当电容内部温度85 °C时，电容寿命6000Hours,此参数厂家提供；
3A3-30K BUS电容寿命的分析
报告人：田寿龙
报告目录
电解电容的寿命问题 电解电容的模型和ESR特性 分析电解电容寿命的主要步骤 3A3-30KBUS电容寿命的分析 总结
一，电解电容的寿命问题
电解电容的寿命问题
电解电容的失效原因，当温度升高时，电解电 容的电解液会挥发，导致容值变小，漏电流增 大，ESR增大； 当以上任一指标超过规格时，我们认为电容失 效； 电容的寿命取决于电解液的挥发速度。 影响电解电容寿命的因素：主要热影响（焊接， 外界温度，纹波电流）其次，还有施加高压； 施加反压等异常影响。
4.1 3A3-30KBUS电容设计要求 和选用电容介绍
3A3-30K设计中，要求25度条件下，电容寿命7年。 RIFA 公司的PEH506YEQ4180M4 1800uF*10个,正负BUS各5个 ESR Value=59mOHM, at 20 °C 100Hz
0.08 ESR(OHM) 0.079 Esr_cap_20( F) 0.06 Esr_cap_30( F) Esr_cap_40( F) 0.04 Esr_cap_50( F) Esr_cap_60( F) 0.02 0.015
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0 Fig1. I_CAP_PFCj电流谐波分析120
Fig5. I_CAP_INV电流谐波分析
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I _ CAPj ( I _ CAP _ PFCj ) 2 ( I _ CAP _ INV j ) 2
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0.01 t ( i)
0.015 s 0.02
说明：本 文以RCD 满载为例 进行分析
Fig1. R,S,T 输入电流
80 80A 60 Icapapfc_nl i 40 20 0 0
Fig2. 三相PFC 正BUS DIODE电流
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Fig3. PFC流进电容的电流I_CAP_PFC
0 j 120 Fig4. I_CAP_PFC 电流谐波分析
4.3.2 从BUS电容流出到逆变 的电流分析-I_CAP_INV
R S T
20 °C
30 °C 40 °C 60 °C 50 °C
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1500 F
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2500
3000 2.9510
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F(Hz)
RIFA 1800uF电容ESR和温度,频率的关系
4.2 3A3-30K 主线路图
I_CAP_PFC_S PHASE_S I_CAP_PFC_T PHASE_T I_CAP_PFC_R +BUS Q_PFC_R1 PHASE_R I_CAP Q_INV 2
二，电解电容的模型和ESR特性
2.1电解电容的等效电路模型
电流流过电容时，会发生损耗，这个损 耗主要是由电容的ESR引起。
2.2电解电容ESR的特性
随着电容 温度的上 升和频率 的升高， ESR减小
三，分析BUS电容寿命的步骤
3.1 分析BUS电容寿命的步骤
分析电容谐波电流
使用MATHCAD软件 进行分析.通过分析 PFC和INV的谐波电 流得到BUS电容的 谐波
4.4.1 时域法分析BUS的谐波电 流
时域分析法，是指在时域范围内，使用PFC电 容电流减去INV电容电流，得到电容电流时域 函数，对其函数傅立叶分解得到各次谐波的电 流。对于PFC和INV开关频率相关的条件下， 此方法适用于PFC和INV开关频率相关的条件下, 在此条件下能够比较精确的分析谐波电流。
0.015 S 0.02
t ( i) INV电容电流波形
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Fig3. 电容电流波形 t ( i)
50 100 150 0 Fig4. 时域分析法电容电流谐波分析 j 150
I _ CAP(t ) I _ CAP _ PFC(t ) I _ CAP _ INV (t )
4.4.2 运用时域分析法分析电容 谐波电流的结果
IcapT I3_inv_nlt ( ( i) ) modinv3t ( ( i) )
80 80A 60
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200 A
i
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B=85，表示电容温度参考点，与电容温度规格相同；
C=12，厂家提供参数。
4.8 BUS电容的寿命分析结果
以频域分析得到的电容谐波结果进行BUS寿命分析，假设电 容内部温度为40 °C, 50 °C, 60 °C时，分别推算出Ploss, Ta, Life如下表. 通过量测电容表面温度，可以推算出电容寿命。3A3-30K在 常温常压，RCD 满载条件下测得，电容表面光温度最高为 32度，因此可以根据下表判断，电容寿命大于7年。符合设 计要求。
0
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Fig.3 由电容流出到逆变的电流I_CAP_INV
Fig4. I_CAP_INV电流谐波分析
I _ CAPj ( I _ CAP _ PFCj ) 2 ( I _ CAP _ INV j ) 2
4.5.2 频域分析法分析电容谐波 电流的结果
28.576 40A
32.366
A 40
apapfc_nl j)
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Fig1. 时域分析法电容电流谐波分析 0 j 150
j 150 Fig2. 频域分析法电容电流谐波分析
低频电流0-60次谐波 高频60-150次谐波
时域分析法
频域分析法
32.8A
39A
1.74A
1.7A
4.7 计算公式的参数选取
PLoss P(1) P( 2) P(3) ... P( n ) I ( j ) ESR( j )
Th Ploss
Ta Life
40°C 2.026W
25.4 °C 13.7年
50 °C 1.722W
37.6 °C 7.7年
60 °C 1.555W
48.8 °C 4.3年
总结
本文主要是介绍BUS电容谐波电流的分析 方法及其寿命的计算.希望帮助我们在设 计之初, 可以更好的选择和使用BUS电容. 本文所推导出的结果,尚未得到试验验证, 接下来,将尝试测试电容内部温度,来验证 本文关于电容寿命的分析方法。
3.3 电容损耗和内部温度的计 算公式
将每次谐波电流引起的损耗相加.
2 2
P tot P (1) P ( 2) P (3) ... P ( n)
I (1) ESR(1) I ( 2) ESR( 2) ... I ( n) ESR( n)
计算电容内部温度Th, Rth为电容的热阻 其值和风速等有关,Ta表示电容表面温度
60A I1_res_nl( t ( i) ) I2_res_nl( t ( i) ) I3_res_nl( t ( i) ) 20 40
R
S
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46.895
60A
R
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I1res_nl( t ( i) ) 40 I2res_nl( t ( i) ) I3res_nl( t ( i) ) 20 0 0 0.005 0.01 t ( i) 0.015s
1
I_CAP_INV_S I_CAP_INV_T I_CAP_INV_R
+
Q_INV 1 L1
C1 1800u*5 Q_INV 3
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C3 1800uF*5 -BUS Q_INV 4
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D_PFC_R1
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4.3.1 PFC流进BUS电容的电流 分析-I_CAP_PFC
THANKS!
0
I _ CAPj ( I _ CAP _ PFCj ) 2 ( I _ CAP _ INV j ) 2
4.5.1频域法分析BUS的谐波电 流
频域分析法，是指在频域范围内取 I_CAP_PFC和I_CAP_INV各次谐波的正交 量，作为电容电流的各次谐波。 这种方法适用于PFC和INV开关频率不相 关的情况下，能够粗略估计BUS电容的谐 波,适用比较广。
计算电容的损耗 和温度
根据电容的谐波电 流和ESR值，计算 每次谐波电流引起 的损耗，并求和， 得到总的电容损耗, 然后计算出电容的 温度.
计算电容寿命
根据计算出的电容 的内部温度，和厂 商提供的计算公式 求得电容的寿命。
3.2 谐波电流的分析方法
首先求得电流的函数I=f(t) 对电流函数进行傅立叶分解求得各次谐波 的有效值，就是电容的谐波的电流
Th Ta PLoss RTh
3.4 计算电容寿命的公式
Lop Kv A 2( BTh / C ) Hours
A 参数是指在参考温度下的寿命,其值电容 直径有关 B 是参考温度,对85度电容,其值为85.
C参数根据电容类型由厂家
Kv 是指电容电压参数，厂家提供
四， 3A3-30KBUS电容的寿命分析
100
40 20
Icapainv_nl i 0
0 0 0.005
0
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Fig1.
50 0.01Icap_ nl 0.015 0.02 Icapap fc_n l SIcapai 0 nv _ nl 0.005 i i i t ( i ) 0.02 0 PFC电容电流波形 Fig2.
0.01
200 IcapRi IcapS i IcapTi 0 50 0 0.005 0.01 t ( i) 0.015 100 200
A
R
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Fig.1 逆变电感电流R,S,T相
200 200 A
IcapT I3_inv_nlt ( ( i) ) modinv3t ( ( i) )
i
Fig.2 逆变三相Q_INV1电流波形 0.02
I capa_pos_nlj 20
0
0
0 0
50 j
100
150 150
Fig3. 频域分析法电容电流谐波分析
4.6 两种谐波分析方法的比较
两种方法的结果，整体上比较接近.
33.144 40 A
25.241
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