直流链路电容器的基本要求是它们必须携带的最大波纹波电流。然而，即使正确选择了符合这一额定值的元件，电容器组的某些部分仍可能比计算出的温度要高得多，特别是在具有宽禁带半导体的快速开关转换器中，这可能导致一些情况下发生灾难性故障。其罪魁祸首是寄生共振产生的隐藏电流。

　　通过使用碳化硅(SIC)器件，AC-DC和DC-DC转换器正在迅速演变成具有更高开关频率、效率和功率密度的系统。因为电压(du/dt)和电流(di/dt)的瞬变速度比硅器件快十倍以上，寄生元件的影响变得更为关键。因此，电压过冲更高，振荡持续时间更长。这可能会影响主动和被动元件的使用寿命。

　　典型转换器中的关键功能模块是直流链路及其所有相关组件。它通常执行以下三个功能：

　　· 为平均整流电网电压(电网频率-50/60赫兹)提供能量存储能力

　　· 处理由开关器件引起的开关频率(加上谐波)纹波电流(典型开关频率-20千赫兹到150千赫兹范围)

　　· 在开关时提供足够低的低频换向环路电感，以避免在应用高di/dt值时产生过大的电压过冲(兆赫兹范围)

　　前两个功能通常由同一技术的电容器完成。对于最后一个功能，通常需要额外的低感组件，其电容值较低，必须放置在功率半导体附近。特别是对于宽禁带半导体转换器，这些组件变得越来越重要，因为di/dt值很高。

　　通常，一种电容器技术处理低频部分(LF)以及因此的前两个任务，以下称为CLF。另一种是用于高频部分(HF)，称为CHF。由于CLF的电容值远高于CHF，因此机械尺寸也大得多，通常在两者之间涉及较长的互联结构。这就产生了这个等效电路图(图1)。

图1

　　尽管例如层压母线可以最小化互联结构的寄生电感(Lparasitic)，但在分析整个转换器的电容功能块时，这始终需要仔细考虑。

　　简化等效电路

　　某些方面可以简化，以更好地理解反共振机制。

　　以LF和HF电容器的并联配置为起点，互联结构具有一定的寄生电感(Lparasitic;图2a)。由于感兴趣的频率范围通常高于LF电容器的(串联)自谐振频率，因此可以将其替换为ESL，而不考虑电容部分(见图2b)。另一方面，考虑的频率范围通常远低于HF电容器的自谐振频率，因此可以仅用它们的电容部分近似，而不考虑ESL。最后，将LF电容器的ESL和互联结构的寄生L值相加，得到一个单独的感抗，形成图2c所示的简单LC并联谐振电路。这将近似整个LF和HF电容器电路在阻抗峰频率域的响应。这种并联谐振罐现象被称为反共振。

图2

　　对于这个简化的等效电路，谐振频率可以按下式确定：

　　在这个反共振频率上，电路的阻抗(显著)高于单独考虑各个元件时的预期值。

　　为了简化，以下分析中没有考虑元件的等效串联电阻(ESR)。然而，一般来说，ESR较高意味着谐振电路的品质因数较低，因此谐振更宽、更平坦，反之亦然。

　　在这个阶段，最重要的是要理解三个关键的无源元件决定了反共振频率：

　　LF电容器组的ESL，

　　HF和LF电容器之间互联结构的电感，以及

　　HF电容器的电容。

　　计算示例

　　将使用两个示例(一个未优化，一个优化)来模拟简化的等效电路图(图3至图5)。随后，将在实际系统中测量优化的示例。在仿真中，阻抗测量发生在实际系统中半导体开关连接的点(这里使用I1进行阻抗测量)。

图3

　　在第一个未优化的示例(图3)中，三个140微法的LF电容器并联(总CLF = 420微法)，每个电容器具有40纳法的ESLLF(总计约13纳法)和0.6毫欧的ESRLF。在这种情况下，母线设计得很差，导致总电感(Lstray_connection)为100纳法。同时，有些人可能担心没有足够的HF电容器，因此使用了2微法作为CHF。图4的频率曲线显示了大约330千赫兹的阻抗峰，这个峰值不能仅由单个电容器的阻抗曲线解释。这个峰值是整个电路的所谓反共振。

图4

　　例如，如果将一个谐振转换器连接到这样的设计，并在大约110千赫兹的频率下运行(对于谐振SiC拓扑来说并不是什么大问题)，强大的三次谐波纹波电流在330千赫兹时将完全击中这个设计糟糕的直流链路的阻抗峰。在这种情况下，谐振电流很可能在CHF和CLF电容器之间循环，寄生电感(图3)远高于纹波电流本身谐波。这可能导致电容器过热甚至损坏，因为这种谐振电流在ESR上造成了额外的损耗(I2·R)。

　　这个示例说明了反共振可能有多有害，以及确保即使是所谓的低频部分，也要进行正确的RF设计有多么重要，这些低频部分是混合直流链路电容器组件的一部分。

　　在第二个优化的示例(图5)中，LF电容器与第一个示例完全相同，但非常注意低感设计。母线的漏感为20纳法，ESR为25毫欧。HF电容器组总共有1微法(CHF)，ESLHF为2纳法，ESRHF为4毫欧。

图5

　　图6中，阻抗峰位于大约850千赫兹，远高于第一个示例的频率。

图6

　　降低反共振效应

　　基于决定反共振频率的三个关键因素，有策略可以解决反共振引起的问题：

　　将反共振频率移至更高频率。这主要可以通过降低LF电容器的ESL和互联结构中的任何寄生电感来实现。请记住，HF电容器的较低电容值或阻尼器也可以为此做出贡献。这种策略的目标是确保反共振不会被纹波电流或具有较高功率水平的低阶谐波击中。

　　将反共振频率移至开关频率以下。这种策略的目标也是确保反共振不会被纹波电流激发。通常在LF和HF电容器之间插入一个额外的电感器，以将反共振频率移至此处。这显著增加了互联结构的电感。此外，有时也可能有助于大幅增加HF电容器的电容。

　　将系统的所有开关频率及其谐波置于关键反共振频率带之外。必须注意直流链路中无源元件的公差和老化行为，因为它们的值可能会变化，从而直接影响反共振频率。有时这种策略被证明是不可能的，例如，当开关频率在运行过程中变化范围很广时，如谐振拓扑。

　　选择性衰减反共振阻抗峰。这种理论选项在电路中添加了一个只在相关频率范围内有效的电阻元件，不会过多影响常规纹波电流。例如，这种机制可以利用互联结构的皮肤效应，因为其电阻随频率增加而增加。这种策略与上述第一种策略结合使用可能很有前景。但仍需要进行进一步研究以证明其实际性并提供实际设计指导。

　　请记住，铝电解电容器的ESR通常会随着温度的升高而显著降低。因此，一个在+25°C下工作完美的转换器，在更高温度下可能会出现反共振。

　　双脉冲测试作为计量验证

　　使用双脉冲测试，还可以直接从电压波形确定反共振振荡。图7显示了带有寄生元件的CHF/CLF结构的双脉冲测试等效电路。这些包括CLF和CHF的ESL、互联结构的寄生电感(Lparasitic)、CHF和设备之间母线或PCB的寄生电感(Lstray_connection)、设备的漏极和源极端的寄生电感(LD、LS)、自由轮流二极管的寄生电容(CDD)、感性负载的等效并联电容(CEPC)和测量仪的寄生电感(Lsense)。门极回路包括门极(LG)和源极端的寄生电感(LS)。此外，还必须考虑MOSFET中的寄生电容(CGD、CGS和CDS)。

　　特别重要的是要注意，测量继续进行，直到第二个脉冲关闭。此时，两个组件都关闭，但上部开关的体二极管仍在由线圈电流(图7中的绿色箭头)驱动。因此，直流链路电压(加上体二极管几乎恒定的电压降)在此期间也可见于开关节点。这意味着即使在关闭状态下，电压振荡也可以在开关节点上轻松检测到，特别是在CHF和CLF之间(图7中的红色箭头)。

图7

　　尽管CHF在典型的反共振频率下具有低阻抗，但大的振荡电流会导致这个电容器上的电压振荡，这在开关节点上可以观察到(图8)。

图8

　　50千瓦电动汽车充电器测试装置的结果

　　图9显示了50千瓦电动汽车充电器测试装置的功率转换板，其中解决了反共振问题。为此，优化了母线(Lparasitic)和CHF值，以减少环路的振荡电流。母线的多个并联端子有助于降低路径的有效电感(Lparasitic)。了解这个谐振电路的自然谐振频率有助于设计者选择转换器的正确开关频率。应避免通过开关频率的谐波激发自然谐振频率。

图9

　　图10的示波图显示了设计优化后的波形示例。开关节点的电压是浅蓝色曲线，显示了大约1兆赫兹的频率下持续约1微秒的反共振振荡。

图10

　　要点

　　电源系统设计者应在开发过程的早期彻底调查反共振问题，以避免在后续设计阶段出现严重的、意外的电源转换器退化，甚至运行期间发生故障。为电源转换器选择正确的开关速度和频率，正确设计换向环路，包括母线，以及正确选择无源元件，如HF和LF电容器，可以在灾难发生之前减轻问题。

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