逆变器直流母线电容如何计算？（光伏逆变器中直流母线电容的作用有哪些）

注：本文回答了母线电容的耐压和容值的计算方法，同时也说明了实际应用时需要注意的地方，供楼主参考。

电机控制器中电源部分很重要的电路拓扑结构就是“整流--滤波--逆变”电路，如下图所示。而其中母线电容C的选型直接关系到控制器输出功率的稳定。母线电容的选型中有两个很重要的参数：耐压和容值。这两个参数一旦确定，这个电容就基本确定下来了。

那么这两个参数应该怎么确定呢？从理论上分析：

耐压：这个参数的确定显然和输入电源的电压大小是密切相关的，电压越高，就需要选择耐压越高的电容。

容值：电容的本质是充电和放电。充电时通过电源的输入电荷在电容上积累，放电时电荷输出转化成电压和电流，容值大小反映的就是电荷存储的能力，电荷最终需要转化成电功率输出。因此，电机控制器输出的功率越大，就需要的电容容值越大。

说完理论，以220V/50Hz交流电源，驱动400W电机控制器为例，说明实践中怎么计算这两个参数。

1.耐压：

220VAC电源输入时，产品设计时一般要考虑电网的电压波动，这里以电网波动10%为例，那么交流电源输入的上下限范围就是198VAC 到242VAC。取电压上限242VAC，那么交流电源的有效值就是242Vrms, 峰值就是 242V* 1.414=342.19V.

所以电容的耐压需要至少超过342.19V，实际设计中需要考虑一定的设计余量，结合现有的电容规格，取耐压为400V。此时该元器件的设计负荷是85.5%，可以满足要求。

342.19V400V×\frac{342.19V}{400V} \times 100% =85.5%

2.容值：

电容容值的计算除了功率角度考虑以外，还需要考虑纹波电压。

当带负载运行时，由于母线电容的不断充电和放电，母线电压会形成上升和下降的一个反复循环的纹波电压的情况，如下图分别表示示波器和上位机母线电压采样后得到的波形；

如果从理论上分析纹波电压是怎么来的，就是下面这张红色电压部分，由于电容充电时，电压上升；电容放电时，电压下降。

纹波电压中最低值 VDCminV_{DC}^{min} 的计算公式是：

（）VDCmin=2（Vlinemin）2−Pin(1−Dch)CdcfLV_{DC}^{min} =\sqrt{2（V_{line}^{min}）^{2}-\frac{P_{in}(1-D_{ch})}{C_{dc}f_{L}}}

其中:

VDCminV_{DC}^{min} 是直流纹波电压的最低值；

VlineminV_{line}^{min} 是输入交流电压的最低值 ；

PinP_{in} 是控制器输入的视在功率;

fLf_{L} 是交流电源频率;

CdcC_{dc} 是电容的容值;

DchD_{ch} 定义为纹波电压的波动程度, 它具体用纹波电压中上升部分时间T1在交流信号半个周期T2的比重来表示。

Dch=T1T2D_{ch} =\frac{T_{1}}{T_{2}}

这个值直接反映了纹波电压波动程度的大小， 一般取0.2-0.25，如果波动程度加大，则可能会导致充电的电荷来不及放电电荷使用的，母线电容也会长期处于一个过载运行的状态，对于电容的温升和使用寿命都有非常不利的影响。

实际使用时，取 fLf_{L} = 50Hz, DchD_{ch} =0.2, VlineminV_{line}^{min} 取电源电压10%波动的下限198VAC，20%的纹波电压波动程度

那么直流纹波电压的最低值

VDCmin=2∗198VACV_{DC}^{min} = \sqrt{2} *198VAC * （1-20%）= 223.98VDC

视在功率 PinP_{in} 的计算和电机额定功率输出400W有关，这里假设系统效率为80%，电源端功率因数为0.5，那么就可以计算出视在功率为1012.5W

最终可以计算出电容 CdcC_{dc} 大小：

综合耐压容值，实际电容的选型应该大于573.6uF/400V，实际根据的电容规格，可以选择两个330uF/400 V电容并联使用就可以了。

选型完真接应用就可以了吗？还是不够的，还需要在工程应用考虑以下几点因素：

1. 纹波电流

电容的实际纹波电流不能超过规格书中纹波电流的允许值。如下图中列出了某一电容规格书的不同耐压，不同容值不同尺寸下纹波电流的允许值。

实际纹波电流的测试需要对低频部分和高频部分电流展开，并根据以下公式加以计算，详细说明不再展开。

2. 温升：在额定工况下，测量电容的温升，这直接关系到电容的使用寿命。

3. 使用寿命：电机控制器中影响使用寿命的器件中，短板就在电解电容，因此如果产品的设计寿命是XX年，那么就需要计算其中的短板电解电容在额定工况下的使用寿命。一般电容厂家都会提供电容寿命计算的公式表格，那么输入相应的参数，就可以自动计算出使用寿命了。

总结

电机控制器中即使一个电容的选型和使用就有这么多的门道，可见要想设计出一款性能稳定、使用寿命长久的控制器，并不是一件容易的事，需要我们不断精进，加深对每一个电路和元器件性能的理解。

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