电机控制器母线电容的选型以及详细分析

母线电容的定义

在电机控制器中，电池包的直流电作为输入电源，需要通过直流母线与电机控制器连接，该方式叫DC-LINK或者直流支撑，其中的电容我们称之为母线电容或者支撑电容或者DC-Link电容。由于电机控制器从电池包得到有效值或者峰值很高的脉冲电流的同时，会在直流支撑上产生很高的脉冲电压使得电机控制器难以承受，所以需要选择母线电容来连接。

母线电容的作用

母线电容的作用：

1、平滑母线电压，使电机控制器的母线电压在IGBT开关的时仍比较平滑；

2、降低电机控制器IGBT端到动力电池端线路的电感参数，削弱母线的尖峰电压；

3、吸收电机控制器母线端的高脉冲电流；

4、防止母线端电压的过充和瞬时电压对电机控制器的影响。

母线电容的变迁

母线电容由最开始的电解电容变迁到现在普遍使用的薄膜电容，但电解电容并没有完全消失不用，在MOS管作为功率器件的低速车或者物流车的控制器上仍然采用多个电解电容并联使用。

丰田Prius 第一代电控就是采用的电解电容，采用的三个松下电解电容器，规格为：450V/2700uF，丰田Prius在第二代电控系统中采用了定州薄膜电容，为松下的薄膜电容，但具体的参数在图片上看不清楚，就不做介绍。

图1第一代Prius 电解电容

图2第二代Prius 薄膜电容

图3国内一家商用车早期电解电容

图4国内一家商用车早期薄膜电容

图5现在控制器常用定制电容

电解电容与薄膜电容的对比

1、电解电容的优点是容量比薄膜电容大；

2、薄膜电容相对于电解电容优势；

3、薄膜电容具有更良好的温度和频率特性；

4、薄膜电容没有极性，能够承受反向电压；

5、薄膜电容额定电压高，不需要串联平衡电阻；

6、薄膜电容采用干式设计，没有电解液泄露的危险，没有酸污染；

7、薄膜电容更低的ESR，更强的耐纹波电流的能力；

8、薄膜电容更强的抗脉冲电压能力；

9、薄膜电容更长的寿命；

10、薄膜电容更加灵活的外形设计，可根据不同的需求进行定制。

图6电解电容与薄膜电容参数对比

母线电容电压的选择

电机控制母线电压除了正常的纹波电压的波动，还包括IGBT动作时电流激烈的变化产生尖峰电压和电机反转时的反电动势，薄膜电容在使用中允许有1.2倍额定电压值的脉冲，理论上可以选择额定电压较低的薄膜电容。

如现在的320V的电机控制器系统一般选用500VDC的薄膜电容，540V的电机控制器系统选用900V或者1000V的薄膜电容。

母线电容容量的计算

在新能源电动汽车电机控制器的应用中，母线电容是以IGBT的载波频率来完成充放电，在一个PWM周期内，IGBT导通时由电池组和电容器同时为电机提供能量，IGBT关断时，电池组向母线电容充电。

我们假设电机控制器的最大输出功率为P，电机控制器的的电路为典型的三相全桥拓扑结构。

在一个开关周期内，母线所提供的能量约为：

W=P/(2f)

其中：

f：IGBT的开关频率。

母线电容一个开关周期内释放的能量为：

Q=1/2*C(U+Δu)²-1/2*C(U-Δu)²=2*C*U*Δu

其中：

U：直流母线电压；

Δu：母线纹波电压；

在极端情况下：Q=W，进一步计算可得：

C=P/(4*f*U*Δu)，

一般的，直流母线电压的脉动率为5%，

即纹波电压值：

Δu=U*2.5%

综上可得：

Cmax=P/(4*f*U*U*2.5%)

Cmax值是建立在最极端的情况下，实际应用中，一般认为IGBT开关导通的时候，母线电容提供W/2的能量，即Q=W/2

结合前面的计算公式可得：

Cmin= P/(8*f*U*U*2.5%)

以上计算我们仅供设计参考，在实际应用中更多的电机控制器的母线电容容量的选取接近Cmin的值或者小于Cmin，我们在实际应用中可以根据自己不同的成本和体积综合考虑。

母线电容纹波电流的计算

纹波电流是指流经母线电容的交流分量，电机控制器的输出电流为三相正弦基波电流与高频谐波电流的叠加，两者均会在直流母线侧产生相应的纹波电流。

纹波电流计算公式为：

其中： 

为母线纹波电流

M为调制比

𝑰𝒐为相电流峰值

cos𝜑为功率因数

其他电控上母线电容的选用

例一：英飞凌HP1 Demo板

图7英飞凌HP1 Demo

采用的是HP1，400A/650V模块，峰值功率40KW，我们按照常用的数据，假设这个系统采用的是母线电压U=320V，载波频率：10KHz，通过计算得Cmax=391uF，Cmin=195uF，而英飞凌DEMO采用的母线电容为300uF/450VDC，参数如下图

图8英飞凌Demo采用的电容参数

例二：法雷奥母线电容参数

图9法雷奥电控标签

图10法雷奥电控母线电容

法雷奥的电控峰值容量为140KVA，我们假设功率因数为0.85，则峰值功率为120KW，我们依然假设载波频率为10KHz，母线电压为320V，则Cmax=1162uF，Cmin=581uF，而法雷奥采用的是450V/600uF的电容，接近于Cmin。

例三：宝马I3的母线电容参数

图11宝马I3母线电容

根据宝马的数据，电机峰值功率为125KW，其他参数如上列，得出Cmax=1221uF，Cmin=610uF，取值小于Cmin。

例四：特斯拉母线电容参数

Model 3采用的母线电容为550uF/430V，如果按照峰值功率175KW，按照公式Cmin=855uF，远大于550uF，Model X前驱采用的是430V/450uF的母线电容，相比前驱193KW的功率，母线电容选取更小。（无法找到电控参数，以电机功率作为计算依据）

图12Model 3母线电容

图13Model X前驱母线电容

图14Model 3参数

图15 Model X参数

总结：综上考虑，母线电容的选取，不同的电机控制器选用的是有差别，对比计算过好些论文，以及询问国内知名薄膜电容厂的技术人员，一般会采取上面的计算公式，但对比国外的电机控制器的设计，他们采用的薄膜电容的容量更加激进，具体的怎么选用还要经过相关的实验，比如电容的温升等是否满足设计要求。

参考文献：

车用DC_Link电容器的选择和主要电参数估算_陈渊伟

Analytical-calculation-of-the-RMS-current-stress-on the DC-link capacitor of voltage-PWM converter systems

Analysis and minimization of ripple components of input current and voltage of PWM inverters