一種電容器組的製作方法

2023-10-05 00:20:59

一種電容器組的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種電容器組，包括至少兩組由多個電容器串聯連接組成的電容器串，所述電容器串並聯耦合在對應點以形成多個耦合。每個耦合的至少一部分由熔絲鏈路組成，其中耦合到另一個電容器串的每個電容器串的對應點在所述電容器組工作時具有相同的電壓。從而使該電容器組能夠相應地限制電容器組的故障且該電容器組的結構輕便，便於生產、製造。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種電容器組，特別地，涉及一種直流鏈路電容器組。本實用新型 尤其適用於但不限於在逆變器（尤其是電機驅動器中的逆變器）的直流鏈路中使用。 -種電容器組

【背景技術】
[0002] 高壓直流鏈路通常用於將具有不同電壓的電路耦合到一個共同的直流電壓等級。 通常情況下，所使用的電容器能夠在寬工作溫度範圍內承受伴有高頻紋波電壓的高直流電 壓。在已知系統中，電解電容器通常用於如圖1所示的串-並聯配置中。通常情況下，採用 具有螺栓型端子的電容器和母線的組合以把電容器端子連接到相關電路上。這種結構比較 笨重且需要大量的人工進行裝配。
[0003] 電容器組中的電容器的製造公差非常重要。由於不同的製造公差，電容器組中的 每個電容器的電壓不同。電容器失效前的時間與該電容器使用時所處的電壓和電流條件有 關，這一點本領域技術人員都能理解。
[0004] 在圖1所示的系統中，當發生短路故障時，例如電容器C4(圖2中的故障參考序號 是20)，會造成電容器C1和電容器C3也由於電壓升高而發生故障。電容器C4中的初步失 效可能是由於老化造成。例如，若某個電容器比相鄰的電容器承受更高的電流和電壓，則該 電容器的失效前的時間由於電解液性能下降而縮短。電容器會產生如圖所示的短路故障。 通常情況下，即便電容器組發生嚴重故障，母線聯接10仍可保持導電。這會增加對電路的 損壞，不僅是對電容器組的損壞，也包括對系統的損壞。
[0005] 採用具有螺紋型端子的電容器和母線的組合還有以下缺點：
[0006] 1)若其中一個電容器故障，則會造成大量損壞。母線會由於故障產生的爆炸力量 而彎曲變形，另外，由於母線未絕緣，則會產生電弧。這會導致附加的損壞，因此造成額外的 電路故障。
[0007] 2) -個電容器的故障會引起其它電容器故障。
[0008] 3)未能充分利用空間（因為帶螺紋端子的大直徑圓形電容器的殼體之間的空隙 會佔用大量空間）。
[0009] 4)由於要設計並製造多個螺紋連接，所需成本也較高。 實用新型內容
[0010] 因此，有必要提供一個更靈活、更容易製造且不是很笨重的直流母線電容電路，同 時電容器故障所造成的相關損壞能夠得以限制。
[0011] 本實用新型提供了一種電容器組，包括至少兩組由多個電容器串聯連接組成的電 容器串，所述電容器串並聯耦合在對應點以形成多個耦合；並且每個耦合的至少一部分由 熔絲鏈路組成，其中耦合到另一個電容器串的每個電容器串的對應點在所述電容器組工作 時具有相同的電壓。
[0012] 上述對應點位於每個電容器串的電容器之間。
[0013] 上述對應點位於每個電容器串的每個電容器之間。
[0014] 上述每個電容器串由相同數量的電容器組成。
[0015] 上述電容器組耦合至一個印製電路板。
[0016] 上述電容器組位於所述印製電路板之上或之中。
[0017] 上述電容器為卡接式電容器。
[0018] 上述熔絲鏈路包括印製電路板上的導電走線。
[0019] 上述印製電路板上的導電走線包括至少兩個部分，一個窄的部分和一個寬的部 分。
[0020] 上述印製電路板上的導電走線包括至少兩個窄的部分，和與所述窄的部分相鄰的 寬的部分。
[0021] 上述電容器組中的每個電容器的額定容量相同。
[0022] 上述電容器組位於一個電機驅動器中。
[0023] 上述電容器組位於一個不間斷電源中。
[0024] 上述電容器組位於一個子卡上。
[0025] 上述熔絲鏈路包括一個非線性電阻。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 通過以下對附圖的描述，本實用新型實施方式的特徵和優點將變得更加容易理 解，其中
[0027] 圖1給出了一個已知的直流母線電容器組；
[0028] 圖2給出了圖1中電路的故障模式；
[0029] 圖3給出了依據一個本實用新型實施例的直流母線電容器組；
[0030] 圖4給出了圖3中電路的故障模式；
[0031] 圖5給出了圖4中故障模式的結果；
[0032] 圖6給出了根據該實用新型實施例的另外一種直流母線電容器組布局；
[0033] 圖7給出了根據該實用新型實施例的另外一種直流母線電容器組布局；
[0034] 圖8給出了根據該實用新型實施例的另外一種直流母線電容器組布局；
[0035] 圖9給出了一非平衡電容器組實例；
[0036] 圖10給出了根據一個實用新型實施例中電容器老化的性能示例；
[0037] 圖11給出了根據一個實用新型實施例的包含有直流母線電容器組的電機驅動 器；並且
[0038] 圖12給出了根據一個本實用新型實施例的採用印製電路板走線的熔絲鏈路。
[0039] 在以上圖形中，相關元件都用對應的數字標識。

【具體實施方式】
[0040] 下面對優選實施方式的描述僅僅是示範性的，而絕不是對本實用新型及其應用或 用法的限制。在各個附圖中採用相同的附圖標記來表示相同的部件，因此相同部件的構造 將不再重複描述。
[0041] 以下結合附圖以及【具體實施方式】對本實用新型的技術方案做進一步說明。
[0042] 圖3給出了 一個實用新型實施例，包含兩組串聯連接的電容器串（C1+C2和 C3+C4)，這兩個電容器串以並聯方式耦合組成電容器組30。該電容器組耦合2個電路1和 2,這兩個電路的工作電壓等級可能不同。例如，該電容器組可以安裝在一個電機驅動器 中、一個不間斷電源中或任何其它一個包含直流環節的電力電子電路。典型地，組成圖3所 示的電容器組中的電容尺寸和額定值都相同。如圖3所示，電氣連接32和兩個電容器串在 每串的電容器之間的節點處耦合。在所示的實施例中，該電氣連接位於每個電容器串的中 點。電容器串的中點包含兩個電容器，如圖3所示，當電容器組工作時，每個電容器串的電 壓相等。該直流環節被特別定位，從而使電容器串上的耦合點在工作時具有相同的電壓。
[0043] 其它實施例包含更多的電容器（參見圖6、7和8中的例子），該電氣連接位於電容 器串的其它點，而非中點。在圖6、7和8中，電氣連接32由虛線和非虛線表示。正如上面 所解釋的，當電容器組工作時，電容器串上由電氣連接耦合的點具有相同的電壓。
[0044] 在其它實施例中，圖6、7和8的布局可以被擴展以包括任何數量的串聯電容器，和 /或任何數量的並聯電容器，因此每個電容器串可以具有任何數量的電氣連接。.採用以上 布局，可以在相鄰電容串的每個中間點（之間）設置電氣連接。在這種方式下，電壓在電容 器組內得以平衡。這可以避免在正常使用過程中電氣連接斷開，而這種電氣連接斷開是由 於電容器組的非平衡設計產生的額外電流造成的（參見圖9)。
[0045] 在圖9的例子包括兩個由三個電容器組成的電容器串（90)，兩個電容器串以並 聯方式和另外一個具有兩個電容器的電容器串（92)耦合，若整個電容器組兩端的電壓為 600V，則電容器串90中每個電容器的電壓為200V，而電容器串92中每個電容器電壓為 300V。由於有100V的電壓差，電氣連接94會斷開，因為該電壓差會增加流過該電氣連接的 電流。因此，電容器組中的電容器串最好具有相同數量的電容器並且電容器的額定值也相 同。
[0046] 在所有的實施例中，電氣連接32包括一個薄弱環節，這樣在電容器短路故障發生 時，相關的損壞會得以限制。電氣連接32的寬度取決於預先定義的該直流環節在正常工作 時的電流值，技術人員都能理解這一點。該預先定義的電流值可能包括一個穩態或標稱值。 電氣連接32可能進一步取決於以下因素，比如工作溫度、印製電路板走線厚度、允許溫升、 走線長度等，技術人員也能夠理解這一點。
[0047] 如圖4所示，若電容器C4發生短路故障20,電容器C1和電容器C3將會承受正常 工作時的2倍電壓。該增加的電壓會造成電容器C1和電容器C3其中一個電容故障，這取 決於電容器C1和C3的額定值。
[0048] 當C1故障時，電氣連接32由於突然增加的電流而斷開（圖5)。不論該故障是短 路還是開路故障，這種情況都適用，一般情況下這兩種故障都會造成電流的短暫上升。這種 增加的電流足夠可以斷開電氣連接32,因為該增加的電流超過電氣連接32的預先定義的 電流值或穩態值（標稱值）。通過隔離C4的第一個短路故障，可以避免對電容器組中其它 電容器的損壞。
[0049] 為了更清楚地說明這一點，若Cl、C2或C4產生第一個短路故障，電容器隨後的故 障將會使該薄弱環節相應動作。
[0050] 作為進一步的說明實例，在圖8的實施例中，CG的第一個短路故障會增加CC，CF 和CI兩端的電壓。所導致的結果是，CC會有短路故障。CG和CE之間最近的電氣連接會斷 開。這樣可限制對其它電容器的損壞。
[0051] 為進一步說明，在圖8的實施例中，CE中產生的第一個短路故障會增加上方三個 電容器（CA，⑶，CG)和下方三個電容器（CC，CF，CI)的電壓，技術人員都能理解這一點。該 增加的電壓，在過一段時間後會造成這些電容器中其中一個故障。若CA產生開路故障，則 CA和CE之間會產生直接的路徑，這會使電容器CC，CF，CI.承受3倍的正常工作電壓。因 此，CC將會故障。然而，熔絲鏈路80和82會由於電流超出預先定義的電流值（標稱或穩 態電流值）而斷開。可以看出來，熔絲鏈路80和82斷開（開路），短路電容器CA，CC和CE 從電容器組中隔離。
[0052] 在本例子中，CA CC和CE產生短路故障，而其它工作電容器會承受超出其正常工作 的電壓，然而，可以看出，由於採用熔絲鏈路避免了多個電容器的故障。
[0053] -種熔絲或具有熔絲特性的電路，它們能夠提供類似熔絲的屬性並能夠被安裝在 電容器組中以應對電容器組的例如功率軌短路或其它故障，而這種故障無法由電氣連接32 隔離或緩解。這適用於圖12中的例子，其中熔絲鏈路動作可以避免多個電容器同時故障， 然而作為一個整體用在電容器組或一個更大系統的熔絲或其它裝置將會開路以防止進一 步的故障與進一步的損壞。
[0054] 電氣連接32可能是一個由印製電路板走線（例如印製電路板內層的走線）組成 的熔絲鏈路。印製電路板走線可位於印製電路板的單個內層上。較佳地，該電氣連接位於 一個具有4層的印製電路板的內層上，即該電氣連接（以印製電路板走線的形式）位於內 層上，由於氧氣從該電氣連接走線上隔絕，當該電氣連接熔斷時不會產生大的電弧並能迅 速切斷電流。該印製電路板最好由FR4或更好的材料組成。
[0055] 從圖6、8、10和11中可看出，電氣連接32由部分虛線和部分非虛線表示。虛線部 分表不薄弱（細小）部分，而非虛線部分表不寬的部分。
[0056] 採用印製板走線的熔絲鏈路按照以下原則布置，即細小（薄弱）部分靠近潛在的 故障點，比如電容器組的一個電容器。這樣在故障時可限制損壞。
[0057] 在圖12的實施例中顯示了圖3和4所示的電容器組，熔絲鏈路由2個部分組成， 即印製電路板上的5毫米長xlO毫米寬的走線（124)，例如一個1盎司的印製電路板，中間 有個5毫米寬x5毫米長的銅塊（122)，以及在細小走線附近的5毫米寬的銅塊（120)。其 它實施例可能包含不同的寬度和長度的走線，其中薄弱（熔絲）部分的寬度比非薄弱部分 的寬度要小。對於包含更多數量電容器的電容器組，則相應配置該電氣連接。
[0058] 該電氣連接的細小部分的散熱可以通過更寬的印製電路板走線來解決，以對細小 (熔絲）走線進行補償。更寬的走線靠近薄弱環節（如圖12所示）以對細小走線提供散 熱，從而細小走線在預先定義的電流範圍內（或穩態、標稱值）工作時不會產生過熱並引起 故障。
[0059] 在其它實施例中，電氣連接32可能包含一個熔絲或熔斷器。可替換的，電氣連接 32也可以由非線性電阻比如正溫度係數電阻組成。當流經電阻（電氣連接32)的電流增加 時，該電氣連接的電阻也增加，由於電阻足夠大，該電氣連接實際上處於"斷開"狀態，結果 把該故障源頭從電容器組其它部分隔離開，技術人員應該可以理解這一點。
[0060] 在進一步的實施例中，電容器組30包含一個或多個電氣連接32,該電氣連接位於 子卡或其它遠端電路板上，這樣當電容器發生故障造成電氣連接32斷開時（如這裡所討論 的），或電容器組中其它故障發生時，該電容器組可以很容易被更換。這樣可以使採用該電 容器組的系統儘快恢復運行。
[0061] 如圖11所示，直流母線電容器組30可以安裝在電機驅動器中。該電容器組可能 包含比圖11所示的更多的電容器和電氣連接，例如，可能有多行和多列，且每行每列都包 含多個電容器和電氣連接。在該實施例中，交流電源110被整流器112整流成直流，直流環 節30為逆變器114提供共同直流電壓等級的輸入。逆變器114產生驅動電機116所需的 波形，直流環節提供穩壓以及整流器112和逆變器114之間的共同直流電壓。若電容器組 內發生故障，通過這裡描述的電氣連接32可以把損壞限制在最小數量的電容器上。
[0062] 圖11中的系統可能包括用來檢測功率中紋波電壓的裝置，該紋波電壓由於電容 器組故障而產生。為提高安全性，該系統作為一個整體在檢測到紋波電壓時會關機，從而在 包含電氣連接32的直流母線電容器組的基礎上提供額外保護。在這種方式下，不但電容器 組可以限制自身的損壞，系統也會關機提高操作人員的安全性從而使電容器組內的第一個 故障造成的損壞最小化。
[0063] 本文公開的電容器組實施例具有以下益處：
[0064] 減少整體阻抗一一增加電容器組內的電容器數量可減少阻抗，如下面所示：
[0065] 電界俏； 12200uF 780uF 等效Φ聯電阻=等效中聯電阻 = 6.ImQ, 13mQ, 難效Ψ聯電感=14ηΗ 等效Φ聯電感 = zUnM -- η個由兩個電界器串八個由w個電界器串 聯的電界器串並聯 聯的電容器串並聯 總數3300uF 3120uF 等效Φ聯電B1 =等效中聯電附=
[0066] 4.1 ηιΩ, 3.3 miX 等效串聯電感=9JnH等效串聯電感=5nH
[0067] 這樣可減少能源浪費。
[0068] 改善公差-由於製造公差，電容器組中較小電容器的數量在製造範圍內會產生 較寬的電容量範圍。當電容器數量增加時（通過採用這裡所述的實施例可以很容易並很可 靠地實現），實際分布和聲稱的電容量相反，更傾向於位於高斯分布的中點，即，實際的電容 量更接近期望的電容量，因此系統的運行在一定電氣條件和環境因素下更具有可預見性。 這有效地緩解了電容器組中的電容器製造公差的影響。
[0069] 降低成本-可選擇期望的電容量，這樣可以在全自動化生產線把電容器安裝在 印製電路板上。在提交該申請時，最大的用於電容自動化生產的c*v產品是來自主要製造 商的780 μ F400V。該益處自然可提高製造過程成熟度。
[0070] 正如背景內容所討論的，已知系統採用螺紋端子電容器。在上述自動化的電容器 生產中，採用印製電路板卡接方式，則無需使用螺紋連接並且可解決相關安裝的潛在問題。 然而，本文公開的固定電氣連接的方法也可以使用標準軸向和徑向電纜端子電容器，並最 適用於高壓電解電容器。
[0071] 提高可靠性-由於無需螺紋端子，則不會產生螺釘變松以及連接變松的缺點。取 決於所採用的電容器組的布局，大量的小電容器所提供的增加的總表面積可以改善安裝電 容器組的印製電路板的散熱。電容器組所採用的自動化電容生產也消除了對手工操作的需 要，而這種手工操作會帶來汙染並導致性能和可靠性下降。
[0072] 可靠性也得以改善。當電容器組中的某個電容性能下降時，該電容器兩端的電壓 會下降（當不會完全失效）。參見圖10 了解該情況例子。當電容器功能正常時，如圖10所 示，所有的電容器端子具有200ν電壓。.在本例中，電容104性能下降到以下程度：由於漏 電流，若無電氣連接32,則其電壓只有120V.電容器組的電容器串（100, 102)若在對應點 (通常在工作時具有相同電壓）通過電氣連接32耦合時，則該電壓被均分。這會提高該性 能下降的電容器的電壓，使其高於在無電氣連接32的情況下的電壓（120V)。該電壓將在 整個電容器組內被均分，如圖10所示，其中上面三個電容器端子電壓為190V，而下面六個 電容器的電壓為205V。可以看出，在某個電容性能下降（而非失效）時，其它電容器所承受 的電壓不是很高。在電容性能下降的情況下均分非正常電壓，整個電容器組在任何一個電 容器由於老化或工作在非最優條件下而失效時可以工作更長的時間
[0073] 提高安全性-前面所述的增加可靠性不會降低安全性，因為這種電氣連接不但 能夠消除電容器故障影響，同時還可實現電壓均分功能。本實用新型提供的實施例可提供 電容器組附近的工作人員的安全性。在已知的帶有母線的系統中，甚至在電容器故障發生 後，母線仍可持續工作，因此會延長故障條件。例如，其它電容器也會由於在初始故障發生 後導致的異常電路條件而損壞。電容器組中包含鋁電解電容器，液體狀態的電解質在電容 器殼體內會爆炸，從而會傷害工作人員並進一步損壞系統。另外，若電解質是固態電解質， 則電容器的故障模式很可能是極端模式，會造成火災。通過採用電氣連接32,這裡描述的 實施例在電容器組的電容器故障時通過隔離和限制損壞來消除故障條件。在系統斷電前， 系統出於一個更可控的工作條件，因而可以防止更多故障以及對系統本身和周邊設備的損 壞。這也會增加系統附近工作人員的安全性。
[0074] 因此，本實用新型提供的電容器組可以提高安全性、可靠性，降低對製造公差的依 賴性並能降低製造成本。
[0075] 需要說明的是，在本文中，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋非排 他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而 且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有 的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，並不排除在包括 所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0076] 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範 圍。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實 用新型的保護範圍內。
[0077] 需要說明的是，在本文中，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋非排 他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而 且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有 的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，並不排除在包括 所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0078] 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範 圍。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實 用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種電容器組，其特徵在於，包括： 至少兩組由多個電容器串聯連接組成的電容器串，所述電容器串並聯耦合在對應點以 形成多個耦合；並且 每個耦合的至少一部分由熔絲鏈路組成，其中耦合到另一個電容器串的每個電容器串 的對應點在所述電容器組工作時具有相同的電壓。
2. 根據權利要求1所述的電容器組，其特徵在於，所述對應點位於每個電容器串的電 容器之間。
3. 根據權利要求1所述的電容器組，其特徵在於，所述對應點位於每個電容器串的每 個電容器之間。
4. 根據權利要求1所述的電容器組，其特徵在於，所述每個電容器串由相同數量的電 容器組成。
5. 根據權利要求1所述的電容器組，其特徵在於，所述電容器組耦合至一個印製電路 板。
6. 根據權利要求5所述的電容器組，其特徵在於，所述電容器組位於所述印製電路板 之上或之中。
7. 根據權利要求6所述的電容器組，其特徵在於，所述電容器為卡接式電容器。
8. 根據權利要求5所述的電容器組，其特徵在於，所述熔絲鏈路包括印製電路板上的 導電走線。
9. 根據權利要求8所述的電容器組，其特徵在於，所述印製電路板上的導電走線包括 至少兩個部分，一個窄的部分和一個寬的部分。
10. 根據權利要求8所述的電容器組，其特徵在於，所述印製電路板上的導電走線包括 至少兩個窄的部分，和與所述窄的部分相鄰的寬的部分。
11. 根據權利要求5所述的電容器組，其特徵在與，所述電容器組中的每個電容器的額 定容量相同。
12. 根據權利要求5所述的電容器組，其特徵在於，所述電容器組位於一個電機驅動器 中。
13. 根據權利要求5所述的電容器組，其特徵在於，所述電容器組位於一個不間斷電源 中。
14. 根據權利要求5所述的電容器組，其特徵在於，所述電容器組位於一個子卡上。
15. 根據權利要求1至14中任一所述的電容器組，其特徵在於，所述熔絲鏈路包括一個 非線性電阻。
【文檔編號】H01G9/26GK203895273SQ201320584989
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2012年9月21日
【發明者】史蒂芬·貝裡 申請人:控制技術有限公司