CN103680992A - 一种电容器组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容器组，包括至少两组由多个电容器串联连接组成的电容器串，所述电容器串并联耦合在对应点。所述每个耦合电路的至少一部分由熔丝链路组成，其中耦合到另一个电容器串的每个电容器串的对应点在所述电容器组工作时具有相同的电压。从而使该电容器组能够相应地限制电容器组的故障且该电容器组的结构轻便，便于生产、制造。

Description

一种电容器组

技术领域

本发明涉及一种电容器组，特别地，涉及一种直流链路电容器组。本发明尤其适用于但不限于在逆变器（尤其是电机驱动器中的逆变器）的直流链路中使用。

背景技术

高压直流链路通常用于将具有不同电压的电路耦合到一个共同的直流电压等级。通常情况下，所使用的电容器能够在宽工作温度范围内承受伴有高频纹波电压的高直流电压。在已知***中，电解电容器通常用于如图1所示的串-并联配置中。通常情况下，采用具有螺栓型端子的电容器和母线的组合以把电容器端子连接到相关电路上。这种结构比较笨重且需要大量的人工进行装配。

电容器组中的电容器的制造公差非常重要。由于不同的制造公差，电容器组中的每个电容器的电压不同。电容器失效前的时间与该电容器使用时所处的电压和电流条件有关，这一点本领域技术人员都能理解。

在图1所示的***中，当发生短路故障时，例如电容器C4(图2中的故障参考序号是20)，会造成电容器C1和电容器C3也由于电压升高而发生故障。电容器C4中的初步失效可能是由于老化造成。例如，若某个电容器比相邻的电容器承受更高的电流和电压，则该电容器的失效前的时间由于电解液性能下降而缩短。电容器会产生如图所示的短路故障。通常情况下，即便电容器组发生严重故障，母线联接10仍可保持导电。这会增加对电路的损坏，不仅是对电容器组的损坏，也包括对***的损坏。

采用具有螺纹型端子的电容器和母线的组合还有以下缺点：

1)若其中一个电容器故障，则会造成大量损坏。母线会由于故障产生的***力量而弯曲变形，另外，由于母线未绝缘，则会产生电弧。这会导致附加的损坏，因此造成额外的电路故障。

2)一个电容器的故障会引起其它电容器故障。

3)未能充分利用空间（因为带螺纹端子的大直径圆形电容器的壳体之间的空隙会占用大量空间）。

4)由于要设计并制造多个螺纹连接，所需成本也较高。

发明内容

因此，有必要提供一个更灵活、更容易制造且不是很笨重的直流母线电容电路，同时电容器故障所造成的相关损坏能够得以限制。

一方面，本发明提供了一种电容器组，包括至少两组由多个电容器串联连接组成的电容器串，所述电容器串并联耦合在对应点，所述每个耦合电路的至少一部分由熔丝链路组成，其中耦合到另一个电容器串的每个电容器串的对应点在所述电容器组工作时具有相同的电压。

采用这种布局，某个电容器的短路故障所造成的损坏被限制，因为熔丝链路会开路（断开），因此断开串联耦合从而隔离故障。

可选的，上述对应点位于每个电容器串的电容器之间，或位于每个电容器串的每个电容器之间。

当电容器串的电流超过一个预先定义的值时，每个熔丝链路连接会故障（最好以开路的方式），其中预先定义的值包括稳态或标称值。

可选的，上述每个耦合电路由一个熔丝链路连接组成，该熔丝链路连接由一个薄弱环节组成。

可选的，上述每个电容器串由相同数量的电容器组成。

上述电容器组可以耦合到一个印制电路板，更进一步，位于印制电路板之上或之中。可选的，所述电容器组为卡接式电容器,以使所述电容器位于所述印制电路板之上或之中。

可选的，所述熔丝链路包括印制电路板上的导电走线。

上述印制电路板上的导电走线包括至少两个部分，一个窄的部分和一个宽的部分；进一步的，上述导电走线可包括至少两个窄的部分，宽的部分和该窄的部分相邻。

上述印制电路板上的导电走线窄的部分在其电流超过预先定义的值（或稳态、标称值）时会以开路的形式产生故障。上述宽的部分为窄的部分提供散热。这样，走线的窄的（薄弱）环节可以在稳态条件下以低于预先定义的电流值工作，同时在正常使用时（非故障模式）不会产生过热。这样可避免在正常电流值下的过热问题。

可选的，熔丝链路可能包括一个熔丝导线或熔断器。

可选的，熔丝链路可以是一个非线性电阻，例如一个具有正温度系数的电阻。

上述电容器组可以将多个电路的功率轨连接耦合到一个共同的直流电压等级。

上述电容器组中的每个电容器的额定容量相同。

上述电容器组可安装在一个电机驱动器中。

上述电容器组位于一个不间断电源中。

上述电容器组位于一个子卡上。当通过所述熔丝链路的电流超过预先定义的值时，所述每个熔丝链路以开路的形式产生故障。

当通过所述印制电路板上的导电走线窄的部分的电流超过预先定义的值时，所述印制电路板上的导电走线窄的部分会以开路的形式产生故障。

上述熔丝链路包括一个非线性电阻。

上述熔丝链路包括一个具有正温度系数的电阻。

关于本发明的所有方面，在相关权利要求中定义了可选功能。

“卡接”电容器指电容器管脚被折弯以便***到印制电路板中或其它安装板中，它被卡入以防止在印制电路板或安装板被焊接前脱落。

附图说明

通过以下对附图的描述，本发明实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中

图1给出了一个已知的直流母线电容器组；

图2给出了图1中电路的故障模式；

图3给出了依据一个本发明实施例的直流母线电容器组；

图4给出了图3中电路的故障模式；

图5给出了图4中故障模式的结果；

图6给出了根据该发明实施例的另外一种直流母线电容器组布局；

图7给出了根据该发明实施例的另外一种直流母线电容器组布局；

图8给出了根据该发明实施例的另外一种直流母线电容器组布局；

图9给出了一非平衡电容器组实例；

图10给出了根据一个发明实施例中电容器老化的性能示例；

图11给出了根据一个发明实施例的包含有直流母线电容器组的电机驱动器；并且

图12给出了根据一个发明实施例的采用印制电路板走线的熔丝链路。

在以上图形中，相关元件都用对应的数字标识。

具体实施方式

下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不再重复描述。

以下结合附图以及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。

图3给出了一个发明实施例，包含两组串联连接的电容器串(C1+C2和C3+C4)，这两个电容器串以并联方式耦合组成电容器组30。该电容器组耦合2个电路1和2，这两个电路的工作电压等级可能不同。例如，该电容器组可以安装在一个电机驱动器中、一个不间断电源中或任何其它一个包含直流环节的电力电子电路。典型地，组成图3所示的电容器组中的电容尺寸和额定值都相同。如图3所示，电气连接32和两个电容器串在每串的电容器之间的节点处耦合。在所示的实施例中，该电气连接位于每个电容器串的中点。电容器串的中点包含两个电容器，如图3所示，当电容器组工作时，每个电容器串的电压相等。该直流环节被特别定位，从而使电容器串上的耦合点在工作时具有相同的电压。

其它实施例包含更多的电容器（参见图6、7和8中的例子），该电气连接位于电容器串的其它点，而非中点。在图6、7和8中，电气连接32由虚线和非虚线表示。正如上面所解释的，当电容器组工作时，电容器串上由电气连接耦合的点具有相同的电压。

在其它实施例中，图6、7和8的布局可以被扩展以包括任何数量的串联电容器，和/或任何数量的并联电容器，因此每个电容器串可以具有任何数量的电气连接。.采用以上布局，可以在相邻电容串的每个中间点（之间）设置电气连接。在这种方式下，电压在电容器组内得以平衡。这可以避免在正常使用过程中电气连接断开，而这种电气连接断开是由于电容器组的非平衡设计产生的额外电流造成的（参见图9）。

在图9的例子包括两个由三个电容器组成的电容器串(90)，两个电容器串以并联方式和另外一个具有两个电容器的电容器串（92）耦合，若整个电容器组两端的电压为600V，则电容器串90中每个电容器的电压为200V，而电容器串92中每个电容器电压为300V。由于有100V的电压差，电气连接94会断开，因为该电压差会增加流过该电气连接的电流。因此，电容器组中的电容器串最好具有相同数量的电容器并且电容器的额定值也相同。

在所有的实施例中，电气连接32包括一个薄弱环节，这样在电容器短路故障发生时，相关的损坏会得以限制。电气连接32的宽度取决于预先定义的该直流环节在正常工作时的电流值，技术人员都能理解这一点。该预先定义的电流值可能包括一个稳态或标称值。电气连接32可能进一步取决于以下因素，比如工作温度、印制电路板走线厚度、允许温升、走线长度等，技术人员也能够理解这一点。

如图4所示，若电容器C4发生短路故障20，电容器C1和电容器C3将会承受正常工作时的2倍电压。该增加的电压会造成电容器C1和电容器C3其中一个电容故障，这取决于电容器C1和C3的额定值。

当C1故障时，电气连接32由于突然增加的电流而断开(图5)。不论该故障是短路还是开路故障，这种情况都适用，一般情况下这两种故障都会造成电流的短暂上升。这种增加的电流足够可以断开电气连接32，因为该增加的电流超过电气连接32的预先定义的电流值或稳态值（标称值）。通过隔离C4的第一个短路故障，可以避免对电容器组中其它电容器的损坏。

为了更清楚地说明这一点，若C1、C2或C4产生第一个短路故障，电容器随后的故障将会使该薄弱环节相应动作。

作为进一步的说明实例，在图8的实施例中，CG的第一个短路故障会增加CC,CF和CI两端的电压。所导致的结果是，CC会有短路故障。CG和CE之间最近的电气连接会断开。这样可限制对其它电容器的损坏。

为进一步说明，在图8的实施例中，CE中产生的第一个短路故障会增加上方三个电容器(CA,CD,CG)和下方三个电容器(CC,CF,CI)的电压，技术人员都能理解这一点。该增加的电压，在过一段时间后会造成这些电容器中其中一个故障。若CA产生开路故障，则CA和CE之间会产生直接的路径，这会使电容器CC,CF,CI.承受3倍的正常工作电压。因此，CC将会故障。然而，熔丝链路80和82会由于电流超出预先定义的电流值（标称或稳态电流值）而断开。可以看出来，熔丝链路80和82断开（开路），短路电容器CA,CC和CE从电容器组中隔离。

在本例子中，CA CC和CE产生短路故障，而其它工作电容器会承受超出其正常工作的电压，然而，可以看出，由于采用熔丝链路避免了多个电容器的故障。

一种熔丝或具有熔丝特性的电路，它们能够提供类似熔丝的属性并能够被安装在电容器组中以应对电容器组的例如功率轨短路或其它故障，而这种故障无法由电气连接32隔离或缓解。这适用于图12中的例子，其中熔丝链路动作可以避免多个电容器同时故障，然而作为一个整体用在电容器组或一个更大***的熔丝或其它装置将会开路以防止进一步的故障与进一步的损坏。

电气连接32可能是一个由印制电路板走线（例如印制电路板内层的走线）组成的熔丝链路。印制电路板走线可位于印制电路板的单个内层上。较佳地，该电气连接位于一个具有4层的印制电路板的内层上，即该电气连接（以印制电路板走线的形式）位于内层上，由于氧气从该电气连接走线上隔绝，当该电气连接熔断时不会产生大的电弧并能迅速切断电流。该印制电路板最好由FR4或更好的材料组成。

从图6、8、10和11中可看出，电气连接32由部分虚线和部分非虚线表示。虚线部分表示薄弱(细小)部分，而非虚线部分表示宽的部分。

采用印制板走线的熔丝链路按照以下原则布置，即细小（薄弱）部分靠近潜在的故障点，比如电容器组的一个电容器。这样在故障时可限制损坏。

在图12的实施例中显示了图3和4所示的电容器组，熔丝链路由2个部分组成，即印制电路板上的5毫米长x10毫米宽的走线(124)，例如一个1盎司的印制电路板，中间有个5毫米宽x5毫米长的铜块(122)，以及在细小走线附近的5毫米宽的铜块(120)。其它实施例可能包含不同的宽度和长度的走线，其中薄弱（熔丝）部分的宽度比非薄弱部分的宽度要小。对于包含更多数量电容器的电容器组，则相应配置该电气连接。

该电气连接的细小部分的散热可以通过更宽的印制电路板走线来解决，以对细小（熔丝）走线进行补偿。更宽的走线靠近薄弱环节（如图12所示）以对细小走线提供散热，从而细小走线在预先定义的电流范围内（或稳态、标称值）工作时不会产生过热并引起故障。

在其它实施例中，电气连接32可能包含一个熔丝或熔断器。可替换的，电气连接32也可以由非线性电阻比如正温度系数电阻组成。当流经电阻(电气连接32)的电流增加时，该电气连接的电阻也增加，由于电阻足够大，该电气连接实际上处于“断开”状态，结果把该故障源头从电容器组其它部分隔离开，技术人员应该可以理解这一点。

在进一步的实施例中，电容器组30包含一个或多个电气连接32，该电气连接位于子卡或其它远端电路板上，这样当电容器发生故障造成电气连接32断开时(如这里所讨论的)，或电容器组中其它故障发生时，该电容器组可以很容易被更换。这样可以使采用该电容器组的***尽快恢复运行。

如图11所示，直流母线电容器组30可以安装在电机驱动器中。该电容器组可能包含比图11所示的更多的电容器和电气连接，例如，可能有多行和多列，且每行每列都包含多个电容器和电气连接。在该实施例中，交流电源110被整流器112整流成直流，直流环节30为逆变器114提供共同直流电压等级的输入。逆变器114产生驱动电机116所需的波形，直流环节提供稳压以及整流器112和逆变器114之间的共同直流电压。若电容器组内发生故障，通过这里描述的电气连接32可以把损坏限制在最小数量的电容器上。

图11中的***可能包括用来检测功率中纹波电压的装置，该纹波电压由于电容器组故障而产生。为提高安全性，该***作为一个整体在检测到纹波电压时会关机，从而在包含电气连接32的直流母线电容器组的基础上提供额外保护。在这种方式下，不但电容器组可以限制自身的损坏，***也会关机提高操作人员的安全性从而使电容器组内的第一个故障造成的损坏最小化。

本文公开的电容器组实施例具有以下益处：

减少整体阻抗――增加电容器组内的电容器数量可减少阻抗，如下面所示：

这样可减少能源浪费。

改善公差–由于制造公差，电容器组中较小电容器的数量在制造范围内会产生较宽的电容量范围。当电容器数量增加时(通过采用这里所述的实施例可以很容易并很可靠地实现)，实际分布和声称的电容量相反，更倾向于位于高斯分布的中点，即，实际的电容量更接近期望的电容量，因此***的运行在一定电气条件和环境因素下更具有可预见性。这有效地缓解了电容器组中的电容器制造公差的影响。

降低成本–可选择期望的电容量，这样可以在全自动化生产线把电容器安装在印制电路板上。在提交该申请时，最大的用于电容自动化生产的C*V产品是来自主要制造商的780μF400V。该益处自然可提高制造过程成熟度。

正如背景内容所讨论的，已知***采用螺纹端子电容器。在上述自动化的电容器生产中，采用印制电路板卡接方式，则无需使用螺纹连接并且可解决相关安装的潜在问题。然而，本文公开的固定电气连接的方法也可以使用标准轴向和径向电缆端子电容器，并最适用于高压电解电容器。

提高可靠性–由于无需螺纹端子，则不会产生螺钉变松以及连接变松的缺点。取决于所采用的电容器组的布局，大量的小电容器所提供的增加的总表面积可以改善安装电容器组的印制电路板的散热。电容器组所采用的自动化电容生产也消除了对手工操作的需要，而这种手工操作会带来污染并导致性能和可靠性下降。

可靠性也得以改善。当电容器组中的某个电容性能下降时，该电容器两端的电压会下降（当不会完全失效）。参见图10了解该情况例子。当电容器功能正常时，如图10所示，所有的电容器端子具有200v电压。.在本例中，电容104性能下降到以下程度：由于漏电流，若无电气连接32，则其电压只有120V.电容器组的电容器串(100,102)若在对应点（通常在工作时具有相同电压）通过电气连接32耦合时，则该电压被均分。这会提高该性能下降的电容器的电压，使其高于在无电气连接32的情况下的电压(120V)。该电压将在整个电容器组内被均分，如图10所示，其中上面三个电容器端子电压为190V，而下面六个电容器的电压为205V。可以看出，在某个电容性能下降（而非失效）时，其它电容器所承受的电压不是很高。在电容性能下降的情况下均分非正常电压，整个电容器组在任何一个电容器由于老化或工作在非最优条件下而失效时可以工作更长的时间

提高安全性–前面所述的增加可靠性不会降低安全性，因为这种电气连接不但能够消除电容器故障影响，同时还可实现电压均分功能。本发明提供的实施例可提供电容器组附近的工作人员的安全性。在已知的带有母线的***中，甚至在电容器故障发生后，母线仍可持续工作，因此会延长故障条件。例如，其它电容器也会由于在初始故障发生后导致的异常电路条件而损坏。电容器组中包含铝电解电容器，液体状态的电解质在电容器壳体内会***，从而会伤害工作人员并进一步损坏***。另外，若电解质是固态电解质，则电容器的故障模式很可能是极端模式，会造成火灾。通过采用电气连接32，这里描述的实施例在电容器组的电容器故障时通过隔离和限制损坏来消除故障条件。在***断电前，***出于一个更可控的工作条件，因而可以防止更多故障以及对***本身和周边设备的损坏。这也会增加***附近工作人员的安全性。

因此，本发明提供的电容器组可以提高安全性、可靠性，降低对制造公差的依赖性并能降低制造成本。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种电容器组，其特征在于，包括：

至少两组由多个电容器串联连接组成的电容器串，所述电容器串并联耦合在对应点；并且

所述每个耦合电路的至少一部分由熔丝链路组成，其中耦合到另一个电容器串的每个电容器串的对应点在所述电容器组工作时具有相同的电压。

2.根据权利要求1所述的电容器组，其特征在于，所述对应点位于每个电容器串的电容器之间。

3.根据权利要求1所述的电容器组，其特征在于，所述对应点位于每个电容器串的每个电容器之间。

4.根据权利要求1所述的电容器组，其特征在于，所述每个电容器串由相同数量的电容器组成。

5.根据权利要求1所述的电容器组，其特征在于，所述电容器组耦合至一个印制电路板。

6.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，所述电容器组位于所述印制电路板之上或之中。

7.根据权利要求6所述的电容器组，其特征在于，所述电容器为卡接式电容器。

8.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，所述熔丝链路包括印制电路板上的导电走线。

9.根据权利要求8所述的电容器组，其特征在于，所述印制电路板上的导电走线包括至少两个部分，一个窄的部分和一个宽的部分。

10.根据权利要求8所述的电容器组，其特征在于，所述印刷电路板上的导电走线包括至少两个窄的部分，和与所述窄的部分相邻的宽的部分。

11.根据权利要求9所述的电容器组，其特征在于，至少一个所述宽的部分为至少一个所述窄的部分散热。

12.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，所述电容器组可以将多个电路的功率轨连接耦合到一个共同的直流电压等级。

13.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在与，所述电容器组中的每个电容器的额定容量相同。

14.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，所述电容器组位于一个电机驱动器中。

15.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，所述电容器组位于一个不间断电源中。

16.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，所述电容器组位于一个子卡上。

17.根据权利要求5所述的电容器组，其特征在于，当通过所述熔丝链路的电流超过预先定义的值时，所述每个熔丝链路以开路的形式产生故障。

18.根据权利要求9至17任一所述的电容器组，其特征在于，当通过所述印制电路板上的导电走线窄的部分的电流超过预先定义的值时，所述印制电路板上的导电走线窄的部分会以开路的形式产生故障。

19.根据权利要求1至7任一所述的电容器组，其特征在于，所述熔丝链路包括一个非线性电阻。

20.根据权利要求1至7任一所述的电容器组，其特征在于，所述熔丝链路包括一个具有正温度系数的电阻。

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