薄膜電容器模組在感應加熱中的應用

1、引言：

感應加熱技術(shù),早期應用在家用電磁爐上.后來隨著高效,節(jié)能及環(huán)保的優(yōu)點越來越顯著,加上產(chǎn)品技術(shù)成熟及使用穩(wěn)定,感應加熱技術(shù)逐漸開始往工業(yè)領域發(fā)展.從早期的單相2KW,到現(xiàn)在的三相100KW及以上,在短短的幾年時間里,感應加熱技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品的應用有了一個質(zhì)的飛躍.隨之設備內(nèi)部的功率元器件(如整流橋,IGBT模塊,薄膜電容器等)要求越來越高,其可靠性及穩(wěn)定性決定了設備的使用安全及壽命.

2、典型的感應加熱設備機芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)

感應加熱設備電路結(jié)構(gòu)分為兩種.從市面上的產(chǎn)品來看,30KW以內(nèi)采用的是半橋.30KW以上采用的是全橋.以半橋30KW機芯來看,薄膜電容器的使用情況如下:

DC-LINK:30-40μF(800VDC),采用多個分立電容器并聯(lián)的方式 (3-13個)

高壓諧振:單臂1.2-1.4μF(1600VDC),采用多個分立電容器并聯(lián)的方式 (3-14個)

或單臂0.7-0.8μF(3000VDC),采用多個分立電容器并聯(lián)的方式 (3-12個)

電容器連接圖:

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從上述典型機芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,該結(jié)構(gòu)存在以下問題點:

a電路主回路采用PCB連接,當機芯功率越大, 輸入整流橋前的交流主回路,整流橋輸出后的直流母線主回路,LC諧振輸出主回路電流就越大.為了PCB銅箔能提供足夠的過流能力及降低銅箔溫升,必須加大PCB尺寸,增加主回路銅箔寬度,增加PCB銅箔厚度,最終會導致PCB價格昂貴,增加了機芯的總體成本.

b某部份企業(yè)的產(chǎn)品,由于機芯尺寸受到限制,所以PCB尺寸無法做的太大.通常采取的做法是PCB露銅并人工鍍錫,用焊錫來增加銅箔厚度,增加PCB過流能力.(人工鍍錫厚度無法準確控制).或者是用銅片,銅線等圍繞各主回路一圈,再人工鍍錫.無論何種鍍錫工藝,都會增加操作的復雜性,增加人工成本.

c電路主回路跟單片機控制電路集成在一塊PCB上,強電/弱電沒分離,容易造成驅(qū)動部份受到干擾.嚴重者導致IGBT模塊上下管直通,燒毀IGBT模塊及整流橋模塊.

d假如PCB電路板中某一小部分電路或元件失效,導致機芯無法正常工作,則維修需要更換整塊PCB.其它元器件無法再拆下來使用,增加了維修成本及維修難度.

ePCB中采用多個分立電容器并聯(lián),由于走線問題,導致每只電容器在實際使用過程中由于在電路中的線路分布電感不一致,最終導致過流不一致.嚴重者會導致某只電容器發(fā)熱嚴重燒毀.(均流,均壓問題在高頻大功率感應加熱設備中必須重視!)

6 機芯中的DC-LINK電容器,高壓諧振電容器等,由于自身有一定的發(fā)熱,故目前業(yè)內(nèi)都采用對機芯風冷的方式,對電容器等元器件進行散熱.由于無法做到全密封,會導致油煙,水氣,蟑螂,金屬粉塵等從散熱風機/風口進入機芯內(nèi)部,沉積在PCB上,讓元件間引腳容易高壓打火放電,短路等.機芯容易失控,嚴重者發(fā)生燒毀現(xiàn)象.

3、薄膜電容器模組應用在感應加熱設備上

從上圖可見,DC-LINK電容器模組代替了典型機芯電路的多個分立并聯(lián)的濾波電容器.高壓諧振電容器模組,代替了典型機芯電路的多個分立并聯(lián)的諧振電容器.電容器模組一體化封裝,利用鋁殼散熱,M6螺母引出,塑膠卡鎖在散熱板上固定.

4、薄膜電容器模組使用優(yōu)點

a機芯內(nèi)部主回路采用銅條搭橋的工藝結(jié)構(gòu),銅條厚度得到保證,主回路過流能力強,銅條溫升低.安裝操作簡單,方便,快捷,高效,大大降低出錯機率.

b主回路只需要兩條銅條,代替了以往的一大塊PCB,在產(chǎn)品材料成本上及人工費用上,大大的降低了,產(chǎn)品可靠性得到提高.省去了PCB插件,過錫爐,補焊等工序.

c主回路跟驅(qū)動控制部份分離,做到強電/弱電分離.減少主諧振回路對芯片驅(qū)動部份的干擾.對產(chǎn)品的售后維修等帶來方便,元器件可再次使用,降低了維修成本.

d由于電容器均采用模組形式封裝,可利用鋁殼散熱,機芯完全可以做到全密封.解決了油煙,水氣,蟑螂,金屬粉塵等進入機芯內(nèi)部的問題,提高了產(chǎn)品的可靠性及使用壽命.

e電容器由多個分立式并聯(lián)改為單一模組形式,解決了分立式電容器過流不均,分壓不均等問題,縮短主回路的線路距離,降低了線路分布電感對功率元器件的影響.

5、電容器模組實際使用情況

為測試鋁殼散熱諧振電容器模組內(nèi)部溫度,在制作樣品時電容器模組內(nèi)部裝入一只NTC熱敏電阻.某客戶使用2*0.8μF/1600VDC模組,用在15KW商用電磁爐半橋電路.

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從實測數(shù)據(jù)可知,諧振電容器模組在室溫25℃和老化房40℃下,滿功率工作45分鐘左右,電容器內(nèi)部薄膜溫升達到穩(wěn)定,并隨著工作時間的增加,溫度一直穩(wěn)定下去.

目前DC-LINK電容器模組(MKP-LA)和高壓諧振電容器模組(MKPH-RA)經(jīng)過多家合作單位批量使用后,本司創(chuàng)格電子已對該系列電容器模組產(chǎn)品成功申請國家專利.

6、總結(jié)

IGBT可以由單管形式做成模塊形式,散熱效果好,過流能力強.本司參考IGBT內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu),研發(fā)出帶鋁殼散熱結(jié)構(gòu)的電容器模組,應用在感應加熱設備上.經(jīng)過多家合作單位批量使用后,已于2010年大量推廣使用.

隨著感應加熱設備市場需求量的不斷增加,產(chǎn)品競爭越來越激烈.企業(yè)要提高自身產(chǎn)品的市場占有率,必須投入人力物力,對舊產(chǎn)品進行更新,技術(shù)進行升級,才能提升企業(yè)自身的競爭力.