一種電容器組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電容器組，包括至少兩組由多個電容器串聯(lián)連接組成的電容器串，所述電容器串并聯(lián)耦合在對應(yīng)點(diǎn)。所述每個耦合電路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(yīng)點(diǎn)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(yīng)地限制電容器組的故障且該電容器組的結(jié)構(gòu)輕便，便于生產(chǎn)、制造。
【專利說明】—種電容器組
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電容器組，特別地，涉及一種直流鏈路電容器組。本發(fā)明尤其適用于但不限于在逆變器(尤其是電機(jī)驅(qū)動器中的逆變器)的直流鏈路中使用。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓直流鏈路通常用于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范圍內(nèi)承受伴有高頻紋波電壓的高直流電壓。在已知系統(tǒng)中，電解電容器通常用于如圖1所示的串-并聯(lián)配置中。通常情況下，采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(guān)電路上。這種結(jié)構(gòu)比較笨重且需要大量的人工進(jìn)行裝配。
[0003]電容器組中的電容器的制造公差非常重要。由于不同的制造公差，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(guān)，這一點(diǎn)本領(lǐng)域技術(shù)人員都能理解。
[0004]在圖1所示的系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)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Cl和電容器C3也由于電壓升高而發(fā)生故障。電容器C4中的初步失效可能是由于老化造成。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于電解液性能下降而縮短。電容器會產(chǎn)生如圖所示的短路故障。通常情況下，即便電容器組發(fā)生嚴(yán)重故障，母線聯(lián)接10仍可保持導(dǎo)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(tǒng)的損壞。
[0005]采用具有螺紋型端子的電容器和母線的組合還有以下缺點(diǎn):
[0006]I)若其中一個電容器故障，則會造成大量損壞。母線會由于故障產(chǎn)生的爆炸力量而彎曲變形，另外，由于母線未絕緣，則會產(chǎn)生電弧。這會導(dǎo)致附加的損壞，因此造成額外的電路故障。
[0007]2) 一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?yàn)閹菁y端子的大直徑圓形電容器的殼體之間的空隙會占用大量空間)。
[0009]4)由于要設(shè)計(jì)并制造多個螺紋連接，所需成本也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，有必要提供一個更靈活、更容易制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(guān)損壞能夠得以限制。
[0011]一方面，本發(fā)明提供了一種電容器組，包括至少兩組由多個電容器串聯(lián)連接組成的電容器串，所述電容器串并聯(lián)耦合在對應(yīng)點(diǎn)，所述每個耦合電路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(yīng)點(diǎn)在所述電容器組工作時具有相同的電壓。
[0012]采用這種布局，某個電容器的短路故障所造成的損壞被限制，因?yàn)槿劢z鏈路會開路(斷開)，因此斷開串聯(lián)耦合從而隔離故障。
[0013]可選的，上述對應(yīng)點(diǎn)位于每個電容器串的電容器之間，或位于每個電容器串的每個電容器之間。
[0014]當(dāng)電容器串的電流超過一個預(yù)先定義的值時，每個熔絲鏈路連接會故障(最好以開路的方式)，其中預(yù)先定義的值包括穩(wěn)態(tài)或標(biāo)稱值。
[0015]可選的，上述每個耦合電路由一個熔絲鏈路連接組成，該熔絲鏈路連接由一個薄弱環(huán)節(jié)組成。
[0016]可選的，上述每個電容器串由相同數(shù)量的電容器組成。
[0017]上述電容器組可以耦合到一個印制電路板，更進(jìn)一步，位于印制電路板之上或之中?？蛇x的，所述電容器組為卡接式電容器，以使所述電容器位于所述印制電路板之上或之中。
[0018]可選的，所述熔絲鏈路包括印制電路板上的導(dǎo)電走線。
[0019]上述印制電路板上的導(dǎo)電走線包括至少兩個部分，一個窄的部分和一個寬的部分；進(jìn)一步的，上述導(dǎo)電走線可包括至少兩個窄的部分，寬的部分和該窄的部分相鄰。
[0020]上述印制電路板上的導(dǎo)電走線窄的部分在其電流超過預(yù)先定義的值(或穩(wěn)態(tài)、標(biāo)稱值)時會以開路的形式產(chǎn)生故障。上述寬的部分為窄的部分提供散熱。這樣，走線的窄的(薄弱)環(huán)節(jié)可以在穩(wěn)態(tài)條件下以低于預(yù)先定義的電流值工作，同時在正常使用時(非故障模式)不會產(chǎn)生過熱。這樣可避免在正常電流值下的過熱問題。
[0021]可選的，熔絲鏈路可能包括一個熔絲導(dǎo)線或熔斷器。
[0022]可選的，熔絲鏈路可以是一個非線性電阻，例如一個具有正溫度系數(shù)的電阻。
[0023]上述電容器組可以將多個電路的功率軌連接耦合到一個共同的直流電壓等級。
[0024]上述電容器組中的每個電容器的額定容量相同。
[0025]上述電容器組可安裝在一個電機(jī)驅(qū)動器中。
[0026]上述電容器組位于一個不間斷電源中。
[0027]上述電容器組位于一個子卡上。當(dāng)通過所述熔絲鏈路的電流超過預(yù)先定義的值時，所述每個熔絲鏈路以開路的形式產(chǎn)生故障。
[0028]當(dāng)通過所述印制電路板上的導(dǎo)電走線窄的部分的電流超過預(yù)先定義的值時，所述印制電路板上的導(dǎo)電走線窄的部分會以開路的形式產(chǎn)生故障。
[0029]上述熔絲鏈路包括一個非線性電阻。
[0030]上述熔絲鏈路包括一個具有正溫度系數(shù)的電阻。
[0031]關(guān)于本發(fā)明的所有方面，在相關(guān)權(quán)利要求中定義了可選功能。
[0032]“卡接”電容器指電容器管腳被折彎以便插入到印制電路板中或其它安裝板中，它被卡入以防止在印制電路板或安裝板被焊接前脫落。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]通過以下對附圖的描述，本發(fā)明實(shí)施方式的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易理解，其中
[0034]圖1給出了一個已知的直流母線電容器組；
[0035]圖2給出了圖1中電路的故障模式；[0036]圖3給出了依據(jù)一個本發(fā)明實(shí)施例的直流母線電容器組；
[0037]圖4給出了圖3中電路的故障模式；
[0038]圖5給出了圖4中故障模式的結(jié)果；
[0039]圖6給出了根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的另外一種直流母線電容器組布局；
[0040]圖7給出了根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的另外一種直流母線電容器組布局；
[0041]圖8給出了根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的另外一種直流母線電容器組布局；
[0042]圖9給出了一非平衡電容器組實(shí)例；
[0043]圖10給出了根據(jù)一個發(fā)明實(shí)施例中電容器老化的性能示例；
[0044]圖11給出了根據(jù)一個發(fā)明實(shí)施例的包含有直流母線電容器組的電機(jī)驅(qū)動器；并且
[0045]圖12給出了根據(jù)一個發(fā)明實(shí)施例的采用印制電路板走線的熔絲鏈路。
[0046]在以上圖形中，相關(guān)元件都用對應(yīng)的數(shù)字標(biāo)識。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面對優(yōu)選實(shí)施方式的描述僅僅是示范性的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。在各個附圖中采用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的部件，因此相同部件的構(gòu)造將不
再重復(fù)描述。
[0048]以下結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0049]圖3給出了一個發(fā)明實(shí)施例，包含兩組串聯(lián)連接的電容器串(C1+C2和C3+C4)，這兩個電容器串以并聯(lián)方式耦合組成電容器組30。該電容器組耦合2個電路I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(jī)驅(qū)動器中、一個不間斷電源中或任何其它一個包含直流環(huán)節(jié)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(jié)點(diǎn)處耦合。在所示的實(shí)施例中，該電氣連接位于每個電容器串的中點(diǎn)。電容器串的中點(diǎn)包含兩個電容器，如圖3所示，當(dāng)電容器組工作時，每個電容器串的電壓相等。該直流環(huán)節(jié)被特別定位，從而使電容器串上的耦合點(diǎn)在工作時具有相同的電壓。
[0050]其它實(shí)施例包含更多的電容器(參見圖6、7和8中的例子)，該電氣連接位于電容器串的其它點(diǎn)，而非中點(diǎn)。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(dāng)電容器組工作時，電容器串上由電氣連接耦合的點(diǎn)具有相同的電壓。
[0051]在其它實(shí)施例中，圖6、7和8的布局可以被擴(kuò)展以包括任何數(shù)量的串聯(lián)電容器，和/或任何數(shù)量的并聯(lián)電容器，因此每個電容器串可以具有任何數(shù)量的電氣連接。.采用以上布局，可以在相鄰電容串的每個中間點(diǎn)(之間)設(shè)置電氣連接。在這種方式下，電壓在電容器組內(nèi)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于電容器組的非平衡設(shè)計(jì)產(chǎn)生的額外電流造成的(參見圖9)。
[0052]在圖9的例子包括兩個由三個電容器組成的電容器串(90)，兩個電容器串以并聯(lián)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。由于有100V的電壓差，電氣連接94會斷開，因?yàn)樵撾妷翰顣黾恿鬟^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(shù)量的電容器并且電容器的額定值也相同。
[0053]在所有的實(shí)施例中，電氣連接32包括一個薄弱環(huán)節(jié)，這樣在電容器短路故障發(fā)生時，相關(guān)的損壞會得以限制。電氣連接32的寬度取決于預(yù)先定義的該直流環(huán)節(jié)在正常工作時的電流值，技術(shù)人員都能理解這一點(diǎn)。該預(yù)先定義的電流值可能包括一個穩(wěn)態(tài)或標(biāo)稱值。電氣連接32可能進(jìn)一步取決于以下因素，比如工作溫度、印制電路板走線厚度、允許溫升、走線長度等，技術(shù)人員也能夠理解這一點(diǎn)。
[0054]如圖4所示，若電容器C4發(fā)生短路故障20，電容器Cl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Cl和電容器C3其中一個電容故障，這取決于電容器Cl和C3的額定值。
[0055]當(dāng)Cl故障時，電氣連接32由于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?yàn)樵撛黾拥碾娏鞒^電氣連接32的預(yù)先定義的電流值或穩(wěn)態(tài)值(標(biāo)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。
[0056]為了更清楚地說明這一點(diǎn)，若Cl、C2或C4產(chǎn)生第一個短路故障，電容器隨后的故障將會使該薄弱環(huán)節(jié)相應(yīng)動作。
[0057]作為進(jìn)一步的說明實(shí)例，在圖8的實(shí)施例中，CG的第一個短路故障會增加CC，CF和Cl兩端的電壓。所導(dǎo)致的結(jié)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。
[0058]為進(jìn)一步說明，在圖8的實(shí)施例中，CE中產(chǎn)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(shù)人員都能理解這一點(diǎn)。該增加的電壓，在過一段時間后會造成這些電容器中其中一個故障。若CA產(chǎn)生開路故障，則CA和CE之間會產(chǎn)生直接的路徑，這會使電容器CC，CF，Cl.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會由于電流超出預(yù)先定義的電流值(標(biāo)稱或穩(wěn)態(tài)電流值)而斷開?？梢钥闯鰜?，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。
[0059]在本例子中，CA CC和CE產(chǎn)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，由于采用熔絲鏈路避免了多個電容器的故障。
[0060]一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并能夠被安裝在電容器組中以應(yīng)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。這適用于圖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(tǒng)的熔絲或其它裝置將會開路以防止進(jìn)一步的故障與進(jìn)一步的損壞。
[0061]電氣連接32可能是一個由印制電路板走線(例如印制電路板內(nèi)層的走線)組成的熔絲鏈路。印制電路板走線可位于印制電路板的單個內(nèi)層上。較佳地，該電氣連接位于一個具有4層的印制電路板的內(nèi)層上，即該電氣連接(以印制電路板走線的形式)位于內(nèi)層上，由于氧氣從該電氣連接走線上隔絕，當(dāng)該電氣連接熔斷時不會產(chǎn)生大的電弧并能迅速切斷電流。該印制電路板最好由FR4或更好的材料組成。
[0062]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不。虛線部分表不薄弱(細(xì)小)部分，而非虛線部分表不寬的部分。
[0063]采用印制板走線的熔絲鏈路按照以下原則布置，即細(xì)小(薄弱)部分靠近潛在的故障點(diǎn)，比如電容器組的一個電容器。這樣在故障時可限制損壞。
[0064]在圖12的實(shí)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，即印制電路板上的5毫米長XlO毫米寬的走線(124)，例如一個I盎司的印制電路板，中間有個5毫米寬x5毫米長的銅塊(122)，以及在細(xì)小走線附近的5毫米寬的銅塊(120)。其它實(shí)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。對于包含更多數(shù)量電容器的電容器組，則相應(yīng)配置該電氣連接。
[0065]該電氣連接的細(xì)小部分的散熱可以通過更寬的印制電路板走線來解決，以對細(xì)小(熔絲)走線進(jìn)行補(bǔ)償。更寬的走線靠近薄弱環(huán)節(jié)(如圖12所示)以對細(xì)小走線提供散熱，從而細(xì)小走線在預(yù)先定義的電流范圍內(nèi)(或穩(wěn)態(tài)、標(biāo)稱值)工作時不會產(chǎn)生過熱并引起故障。
[0066]在其它實(shí)施例中，電氣連接32可能包含一個熔絲或熔斷器?？商鎿Q的，電氣連接32也可以由非線性電阻比如正溫度系數(shù)電阻組成。當(dāng)流經(jīng)電阻(電氣連接32)的電流增加時，該電氣連接的電阻也增加，由于電阻足夠大，該電氣連接實(shí)際上處于“斷開”狀態(tài)，結(jié)果把該故障源頭從電容器組其它部分隔離開，技術(shù)人員應(yīng)該可以理解這一點(diǎn)。
[0067]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，電容器組30包含一個或多個電氣連接32，該電氣連接位于子卡或其它遠(yuǎn)端電路板上，這樣當(dāng)電容器發(fā)生故障造成電氣連接32斷開時(如這里所討論的)，或電容器組中其它故障發(fā)生時，該電容器組可以很容易被更換。這樣可以使采用該電容器組的系統(tǒng)盡快恢復(fù)運(yùn)行。
[0068]如圖11所示，直流母線電容器組30可以安裝在電機(jī)驅(qū)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(shí)施例中，交流電源110被整流器112整流成直流，直流環(huán)節(jié)30為逆變器114提供共同直流電壓等級的輸入。逆變器114產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)116所需的波形，直流環(huán)節(jié)提供穩(wěn)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(nèi)發(fā)生故障，通過這里描述的電氣連接32可以把損壞限制在最小數(shù)量的電容器上。
[0069]圖11中的系統(tǒng)可能包括用來檢測功率中紋波電壓的裝置，該紋波電壓由于電容器組故障而產(chǎn)生。為提高安全性，該系統(tǒng)作為一個整體在檢測到紋波電壓時會關(guān)機(jī)，從而在包含電氣連接32的直流母線電容器組的基礎(chǔ)上提供額外保護(hù)。在這種方式下，不但電容器組可以限制自身的損壞，系統(tǒng)也會關(guān)機(jī)提高操作人員的安全性從而使電容器組內(nèi)的第一個故障造成的損壞最小化。
[0070]本文公開的電容器組實(shí)施例具有以下益處:
[0071]減少整體阻抗一一增加電容器組內(nèi)的電容器數(shù)量可減少阻抗，如下面所示:
[0072]
【權(quán)利要求】
1.一種電容器組，其特征在于，包括: 至少兩組由多個電容器串聯(lián)連接組成的電容器串，所述電容器串并聯(lián)耦合在對應(yīng)點(diǎn)；并且 所述每個耦合電路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(yīng)點(diǎn)在所述電容器組工作時具有相同的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器組，其特征在于，所述對應(yīng)點(diǎn)位于每個電容器串的電容器之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器組，其特征在于，所述對應(yīng)點(diǎn)位于每個電容器串的每個電容器之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器組，其特征在于，所述每個電容器串由相同數(shù)量的電容器組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器組，其特征在于，所述電容器組耦合至一個印制電路板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，所述電容器組位于所述印制電路板之上或之中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容器組，其特征在于，所述電容器為卡接式電容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，所述熔絲鏈路包括印制電路板上的導(dǎo)電走線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容器組，其特征在于，所述印制電路板上的導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求8所述的電容器組，其特征在于，所述印刷電路板上的導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求9所述的電容器組，其特征在于，至少一個所述寬的部分為至少一個所述窄的部分散熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，所述電容器組可以將多個電路的功率軌連接耦合到一個共同的直流電壓等級。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在與，所述電容器組中的每個電容器的額定容量相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，所述電容器組位于一個電機(jī)驅(qū)動器中。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，所述電容器組位于一個不間斷電源中。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，所述電容器組位于一個子卡上。
17.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器組，其特征在于，當(dāng)通過所述熔絲鏈路的電流超過預(yù)先定義的值時，所述每個熔絲鏈路以開路的形式產(chǎn)生故障。
18.根據(jù)權(quán)利要求9至17任一所述的電容器組，其特征在于，當(dāng)通過所述印制電路板上的導(dǎo)電走線窄的部分的電流超過預(yù)先定義的值時，所述印制電路板上的導(dǎo)電走線窄的部分會以開路的形式產(chǎn)生故障。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的電容器組，其特征在于，所述熔絲鏈路包括一個非線性電阻。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的電容器組，其特征在于，所述熔絲鏈路包括一個具有正溫 度系數(shù)的電阻。
【文檔編號】H02M7/00GK103680992SQ201310432719
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月21日
【發(fā)明者】史蒂芬·貝里 申請人:控制技術(shù)有限公司