紫外固化耗材中高频逆变器电容器的损耗

紫外固化耗材中高频逆变器电容器的损耗

抽象

紫外固化电源驱动一个全桥、LLC 或 E 类逆变器，工作频率为 80 kHz 至 500 kHz。此时，在工频下可忽略不计的电容损耗决定了转换器的热容差。本文推导了该级逆变器的谐振频率、介质等效串联电阻 (ESR)、功耗、磁芯温升和换向过冲，列出了四个设计难点，并给出了六个设计步骤。一个 2.2 nF 的 I 类电容损耗为 0.81 W，而一个 II 类电容损耗为 20.4 W。

1. 引言

紫外固化系统的功率级将市电或稳压直流母线转换为高压交流电，驱动弧光灯通过其镇流器或汞灯的谐振级。全桥、LLC 和 E 类拓扑结构已取代了早期 50 Hz 的变压器。

这些拓扑结构的运行频率为 80 kHz 至 500 kHz，母线电压为 300 VDC 至 1000 VDC，输出功率为 3 kW 至 30 kW。更高的开关频率会缩小磁性元件和变压器的尺寸，并且会使每个电容器暴露于随频率增加而增大的交流纹波电流中。

电容损耗在工频下可以忽略不计，但在 200 kHz 时则非常显著。损耗发生在器件内部，因此会升高核心温度，改变谐振频率，并消耗开关器件所需的散热空间。

拓扑结构选择和电容选择是相互关联的。LLC变换器的零电压开关窗口取决于谐振槽的频率精度，而谐振槽的频率精度又取决于谐振槽电容的稳定性。

2. 核心机制

2.1 谐振槽频率

LLC变换器的谐振槽增益取决于开关频率与谐振频率的比值，而谐振频率由谐振槽元件决定：

f_0 = 1 / (2π × √(L_r × C_r))

其中 f_0 为谐振频率（单位：赫兹），L_r 为串联谐振电感（单位：亨利），C_r 为串联谐振电容（单位：法拉）。

一个 288 µH 的电感器和一个 2.2 nF 的电容在 200 kHz 处谐振。增益曲线围绕该点旋转，因此电容误差会使整条曲线及其工作点发生移动。

2.2 开关频率下的介电常数 ESR

在几十千赫兹以上，陶瓷电容器的ESR与其损耗因子成正比：

ESR ≈ tan δ / (2π × f × C)

其中 ESR 为等效串联电阻（单位：欧姆），tan δ 为工作频率下的损耗因子，f 为频率（单位：赫兹），C 为电容（单位：法拉）。

一个 2.2 nF 的 I 类器件在 200 kHz 频率下，损耗角正切 (tan δ) 为 0.1% 时，其电抗为 362 Ω，等效串联电阻 (ESR) 为 362 mΩ。一个 II 类器件在损耗角正切 (tan δ) 为 2.5% 时，其电抗为 9.05 Ω，是前者的 25 倍。读取工作频率下的损耗因子，因为 1 kHz 下的数值并不能描述 200 kHz 器件的特性。

2.3 电容器损耗

损耗与纹波电流和ESR有关：

P_C = I_rms² × ESR(f)

其中 P_C 为电容器的功耗（单位：瓦特），I_rms 为流过电容器的 RMS 电流（单位：安培），ESR(f) 为工作频率下的等效串联电阻。

一个 2.2 nF 的元件，在 1.5 A rms 的谐振电流下，负载为 362 mΩ 时，损耗功率为 0.81 W。同样的电流流过 9.05 Ω 的负载时，损耗功率为 20.4 W。两种情况下电容值相同，因此损耗是由介质等级决定的。

2.4 核心温度升高

热点沿着部件及其安装位置的散热和热路径分布：

ΔT = P_C × R_th

其中 ΔT 为核心温度高于参考温度（开尔文），P_C 为功耗（瓦特），R_th 为部件及其安装的热阻（开尔文/瓦特）。

对于 10 K/W 的功率，I 类部件的温度上升 8.1 K，II 类部件的温度上升 204 K。通风外壳在 3 W 功率下温度上升 30 K，密封模块在 1 W 功率下温度上升 10 K，因此介电等级决定了并联部件的数量。

2.5 封装电感引起的换向过冲

关断时，桥式整流电流流经直流链路回路，回路电感会增加一个电压阶跃：

V_overshoot = ESL × di/dt

其中 V_overshoot 为电压过冲量（单位：伏特），ESL 为电容器及其连接的等效串联电感（单位：亨利），di/dt 为电流斜率（单位：安培/秒）。

采用碳化硅级换向器，可在 20 ns 内完成 100 A 的电流切换。当回路电感为 10 nH 时，过冲电压可达 50 V；当回路电感为 30 nH 时，过冲电压可达 150 V。器件额定值必须能够覆盖每个开关周期内的这一电压变化。

图 1 — 2.2 nF I 类储能电容器在 200 kHz 时具有 362 mΩ 的介质 ESR，耗散功率为 0.81 W，而 II 类储能电容器的耗散功率为 20.4 W。

3. 工程痛点

痛点一：介电损耗影响效率

一台10千瓦的紫外线逆变器，如果电容损耗为2%，就会以热量的形式浪费掉200瓦的功率。如果使用薄膜电容，这个损耗尚可接受；但如果使用不合适的陶瓷电容，损耗就会翻倍，这就需要更大的风扇和更大的外壳。

即使开关器件性能有所提升，效率上限仍然会低于 95%。损耗存在于电容器内部，因此更换散热器无法消除损耗。

痛点二：谐振槽随温度和偏置电压的失谐

X7R 型储能电容在高直流偏置下会损失 40% 到 80% 的电容值。在假定电容值为标称值的 50% 的 LLC 设计中，转换器在满载时会离开其零电压开关窗口。

随后，器件上会出现硬开关尖峰，器件和电容的老化速度都会加快。15% 的电容漂移会使 200 kHz 谐振频率偏移 7.5%，这足以使增益曲线失谐。

痛点 3：密封模块中的热点集中

紫外功率放大器通常采用灌封或密封工艺，防止臭氧和紫外线进入，导致内部空气流通不畅。此时，损耗因子为1%至2%的电容器承载纹波电流，就会成为发热严重的部件。

介电老化会随着温度升高而加速，因此使用寿命会在 2 年而不是 10 年内结束。密封模块还会提高参考温度，从而加剧这种影响。

痛点 4：ESL 引起的电压过冲

桥式电路关断时，桥电流会通过直流链路回路电感进行换向。在 20 ns 内电流为 100 A 时，10 nH 的杂散电感会产生 50 V 的过冲，而 30 nH 的杂散电感会产生 150 V 的过冲。

具有长内部电极和引线端子的电容器会增加电感。因此，这些器件需要更高的额定电压，而缓冲电路则会吸收剩余的额外损耗。

4. 设计步骤

策略一：在选择零件之前计算损失

对于每个电容器位置，在最坏情况的频率和温度下计算 P_C = I_rms² × ESR，并将磁芯温升保持在 30 K 或以下。数据手册曲线给出了 ESR，如果手头有器件，则可以使用矢量阻抗仪更快地获得 ESR。

如果功率超过限制，则采用并联电路，而不是提高电压。并联电路可以将每部分的电流减半，功耗减半，从而将 20 瓦的功率限制降低到 5 瓦。

策略二：在所有频率决定点使用 I 类介电材料

指定 N4700 谐振槽、谐振耦合电容和补偿网络均采用 I 类介质。在 ±30 ppm/°C 的温度下，200 kHz 谐振频率在工作范围内变化 0.05%。

低于 0.1% 的损耗因子使谐振回路损耗保持在 0.81 W，并且环路增益和纹波抑制比在温度和直流偏置范围内保持不变。正是这种组合保证了零电压开关窗口的有效性。

策略三：在桥牌环节使用低ESL包

直流链路和缓冲电路应选择多端或螺钉式电容器，并具有较短的电流路径。电容器与开关器件之间的回路面积应保持在 1 平方厘米以下。

一个40 nF、ESR为20 mΩ的元件，在398 V电压下承载20 A有效值电流，在直流母线位置消耗8 W功率。 HVCT8G 那里有螺丝端子部件，封装决定了 ESR 和电感。

策略四：降低纹波电流

即使是 I 类电容器也有其有限的纹波电流额定值。应将其额定值降低至绝对最大值的 60% 至 70%，并在模块密封前使用热电偶在原型上验证热点。

请注意设计文件中测量值旁边的降额值。如果场地包含直流分量，请添加一个 薄膜电容器 并联，因此陶瓷部分单独处理高频电流。

策略五：监测油箱频率

在谐振回路电流上添加过零检测器。如果频率偏离校准频率超过 3%，则表明电容器老化或失谐，这可以提醒在效率下降之前进行维护。

同时将读数与温度记录进行比较。读数变化与温度变化一致表明电容器为 II 类电容器，而读数变化与温度变化不一致则表明电容器为磁性元件。

策略 6：验证高压耦合点的局部放电情况

将逆变器输出耦合到灯具高压侧的电容器承受全部直流加交流应力。该位置的电容器在额定电压的 1.2 倍下，局部放电电流应低于 5 pC。

如果现场还需要夹具，请使用 快速恢复二极管 反向恢复时间低于 50 ns，并用以下方式抑制钳位： 厚膜电阻 额定脉冲能量。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	< 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	< 8 纳亨	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	> 10 GΩ @ 500 V 直流	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	> 50 kV/µs	额定电压

5. 用于高频UV逆变器的HVC电容器

该阶段主要受三个要求驱动：足够低的介质损耗以保持磁芯冷却、能够维持谐振频率的电容以及能够限制换向过冲的封装电感。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产 1 kV 至 100 kV 的电容器。

这里需要考虑的六个参数

• 温度系数为±30 ppm/°C，使200 kHz谐振频率保持在设计点的0.05%以内，并在每个负载下保持零电压开关。
• 在 1 kHz 时损耗因子低于 0.1%，这使得在 200 kHz 至 500 kHz 范围内具有最低的实际 ESR，并将谐振槽的损耗降低了一个数量级。
• 一个系列涵盖 1 kV 至 100 kV 的范围，因此相同的介质既适用于 400 VDC 储罐，也适用于 10 kV 灯耦合点。
• 在 1.2 倍额定电压下，局部放电低于 5 pC，这可以保护耦合器、缓冲电路和触发点在数十万小时内免受腐蚀。
• 在螺钉式外形中，40 毫米端子线上的 ESL 低于 8 nH，可在 20 ns 内实现 100 A 的换向，过冲量为 50 V。
• 在 85°C 下运行 50,000 小时后，电容值变化在 2% 以内，因此储能槽在模块寿命期间始终保持增益曲线稳定。HVC 部件的电气参数和封装尺寸与……相匹配。 村田 现场维修程序中使用的螺钉式电容器。

交付和支持

标准件的交货期为 4-8 周，配套储能组件的交货期为 6-10 周。HVC 应用工程团队支持电容损耗计算、阻抗测量和原型热成像。

请提供电路拓扑结构、开关频率、纹波电流特性曲线、环境温度和安装图纸。HVC 将在两周内提供损耗计算结果、推荐器件（包含实测 ESR 与频率关系数据）、PD 测试报告以及样品。

6. 常见问题

问题1：如何计算开关频率下的电容器ESR？

使用公式 ESR = tan δ / (2π × f × C) 计算该频率下的损耗因子。一个 2.2 nF 的元件在 200 kHz 时具有 362 Ω 的电抗，因此 tan δ = 0.1% 时电抗为 362 mΩ，tan δ = 2.5% 时电抗为 9.05 Ω。

Q2：一个 2.2 nF 的储能电容器在 200 kHz 时会消耗多少损耗？

在 1.5 A rms 和 362 mΩ 阻抗下，功率为 0.81 W；在 9.05 Ω 阻抗下，II 类器件的功率为 20.4 W。在 10 K/W 的功率路径上，第一种情况下磁芯温度上升 8.1 K，第二种情况下上升 204 K。

Q3：为什么 X7R 储能电容会使转换器失谐？

因为在高直流偏置下，其值会损失 40% 到 80%。谐振频率遵循 1 / (2π × √(L_r × C_r)) 的规律，因此 15% 的电容漂移会使 200 kHz 点移动 7.5%，并将转换器推出其零电压开关窗口。

Q4：10 nH 的回路电感会产生多大的过冲？

V_overshoot = ESL × di/dt，因此 10 nH 和 100 A 在 20 ns 内产生 50 V。30 nH 的引线电容器产生 150 V，器件额定值和缓冲电路都必须能够覆盖该电压。

Q5：如何将热点保持在 30K 以内？

在10千瓦/瓦的路径上，功耗应保持在3瓦以下。并联两个部分可使每个部分的电流减半，功耗减半，因此20瓦的功率点变为5瓦，并且每个部分的运行温度都比单独运行时更低。

Q6：ESL 在 DC 链路位置做什么？

它设定了每次器件关断时的过冲量。一个40 nF低ESL、ESR为20 mΩ的器件在398 V电压下承载20 A有效值电流，并消耗8 W功率，因此直流母线位置需要的是具有短内部路径的封装，而不仅仅是最低的ESR。

7。 参考

1. E. Kuffel、WS Zaengl、J. Kuffel 高电压工程基础知识，第 2 版，Newnes，2000 年。
2. N. Mohan、TM Undeland、WP Robbins 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版，Wiley，2003 年。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2， 电子设备可靠性预测1995。
4. IEC 60384-1:2021， 电子设备用固定电容器 - 第 1 部分：通用规范，第 6 版。日内瓦：IEC，2021 年。
5. IEC 61071:2017， 电力电子电容器，第 2 版。日内瓦：IEC，2017 年。
6. H. Wang 和 F. Blaabjerg， 电力电子变换器直流链路应用中电容器的可靠性概述IEEE工业应用学报，第50卷，第5期，第3569-3578页，2014年。https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357。
7. L. 郑、L. 朱、J. 刘、Z. 迪和 S. 吉， 金属化薄膜电容器在直流和交流叠加电压及谐波下的自愈特性，发表于 2022 年 IEEE 电气绝缘和介电现象会议 (CEIDP)，第 175-178 页，2022 年。https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286。
8. TDK推出用于谐振拓扑的紧凑型双面金属化聚丙烯薄膜电容器（EPCOS B3264xH），TDK Electronics，https://www.tdk-electronics.tdk.com/en/374108/tech-library/articles/products-technologies/products-technologies/tdk-introduces-compact-double-sided-metallized-polypropylene-film-capacitors-for-resonant-topologies/3619594。
9. MKRS IGBT缓冲电容器（薄膜电容器），Exxelia，https://exxelia.com/en/product/detail/771/mkrs。
10. GB/T 17702-2021， 电力电子电容器。 北京: 中国标准出版社, 2021.
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com