薄膜電容器模組應用于感應加熱設備

摘要：隨著技術的進步及產品的成熟,感應加熱設備所應用的場合越來越多.如商用電磁爐,注塑機炮筒加熱,工業冶煉金屬,工件表面加熱處理等等…感應加熱設備功率也越做越大,從早期的三相12KW,15KW,20KW,到目前的30KW,60KW,120KW…感應加熱設備市場前景廣闊.薄膜電容器作為感應加熱設備關鍵元器件之一,其可靠性及穩定性在設備中占據重要的地位.本文介紹一款新型的帶鋁殼散熱結構的薄膜電容器模組,應用于感應加熱設備上，大大簡化了設備內部安裝工藝,讓機芯可全密封工作.

關鍵詞：鋁殼散熱,全密封結構,薄膜電容器模組,感應加熱設備

1、引言：

感應加熱技術,早期應用在家用電磁爐上.后來隨著高效,節能及環保的優點越來越顯著,加上產品技術成熟及使用穩定,感應加熱技術逐漸開始往工業領域發展.從早期的單相2KW,到現在的三相100KW及以上,在短短的幾年時間里,感應加熱技術的發展及產品的應用有了一個質的飛躍.隨之設備內部的功率元器件(如整流橋,IGBT模塊,薄膜電容器等)要求越來越高,其可靠性及穩定性決定了設備的使用安全及壽命.

2、典型的感應加熱設備機芯內部結構

感應加熱設備電路結構分為兩種.從市面上的產品來看,30KW以內采用的是半橋.30KW以上采用的是全橋.以半橋30KW機芯來看,薄膜電容器的使用情況如下:

DC-LINK:30-40μF(800VDC),采用多個分立電容器并聯的方式 (3-13個)

高壓諧振:單臂1.2-1.4μF(1600VDC),采用多個分立電容器并聯的方式 (3-14個)

或單臂0.7-0.8μF(3000VDC),采用多個分立電容器并聯的方式 (3-12個)

電容器連接圖:

從上述典型機芯內部結構來看,該結構存在以下問題點:

a電路主回路采用PCB連接,當機芯功率越大, 輸入整流橋前的交流主回路,整流橋輸出后的直流母線主回路,LC諧振輸出主回路電流就越大.為了PCB銅箔能提供足夠的過流能力及降低銅箔溫升,必須加大PCB尺寸,增加主回路銅箔寬度,增加PCB銅箔厚度,最終會導致PCB價格昂貴,增加了機芯的總體成本.

b某部份企業的產品,由于機芯尺寸受到限制,所以PCB尺寸無法做的太大.通常采取的做法是PCB露銅并人工鍍錫,用焊錫來增加銅箔厚度,增加PCB過流能力.(人工鍍錫厚度無法準確控制).或者是用銅片,銅線等圍繞各主回路一圈,再人工鍍錫.無論何種鍍錫工藝,都會增加操作的復雜性,增加人工成本.

c電路主回路跟單片機控制電路集成在一塊PCB上,強電/弱電沒分離,容易造成驅動部份受到干擾.嚴重者導致IGBT模塊上下管直通,燒毀IGBT模塊及整流橋模塊.

d假如PCB電路板中某一小部分電路或元件失效,導致機芯無法正常工作,則維修需要更換整塊PCB.其它元器件無法再拆下來使用,增加了維修成本及維修難度.

ePCB中采用多個分立電容器并聯,由于走線問題,導致每只電容器在實際使用過程中由于在電路中的線路分布電感不一致,最終導致過流不一致.嚴重者會導致某只電容器發熱嚴重燒毀.(均流,均壓問題在高頻大功率感應加熱設備中必須重視!)

6 機芯中的DC-LINK電容器,高壓諧振電容器等,由于自身有一定的發熱,故目前業內都采用對機芯風冷的方式,對電容器等元器件進行散熱.由于無法做到全密封,會導致油煙,水氣,蟑螂,金屬粉塵等從散熱風機/風口進入機芯內部,沉積在PCB上,讓元件間引腳容易高壓打火放電,短路等.機芯容易失控,嚴重者發生燒毀現象.

3、薄膜電容器模組應用在感應加熱設備上

從上圖可見,DC-LINK電容器模組代替了典型機芯電路的多個分立并聯的濾波電容器.高壓諧振電容器模組,代替了典型機芯電路的多個分立并聯的諧振電容器.電容器模組一體化封裝,利用鋁殼散熱,M6螺母引出,塑膠卡鎖在散熱板上固定.

4、薄膜電容器模組使用優點

a機芯內部主回路采用銅條搭橋的工藝結構,銅條厚度得到保證,主回路過流能力強,銅條溫升低.安裝操作簡單,方便,快捷,高效,大大降低出錯機率.

b主回路只需要兩條銅條,代替了以往的一大塊PCB,在產品材料成本上及人工費用上,大大的降低了,產品可靠性得到提高.省去了PCB插件,過錫爐,補焊等工序.

c主回路跟驅動控制部份分離,做到強電/弱電分離.減少主諧振回路對芯片驅動部份的干擾.對產品的售后維修等帶來方便,元器件可再次使用,降低了維修成本.

d由于電容器均采用模組形式封裝,可利用鋁殼散熱,機芯完全可以做到全密封.解決了油煙,水氣,蟑螂,金屬粉塵等進入機芯內部的問題,提高了產品的可靠性及使用壽命.

e電容器由多個分立式并聯改為單一模組形式,解決了分立式電容器過流不均,分壓不均等問題,縮短主回路的線路距離,降低了線路分布電感對功率元器件的影響.

5、電容器模組實際使用情況

為測試鋁殼散熱諧振電容器模組內部溫度,在制作樣品時電容器模組內部裝入一只NTC熱敏電阻.某客戶使用2*0.8μF/1600VDC模組,用在15KW商用電磁爐半橋電路.

從實測數據可知,諧振電容器模組在室溫25℃和老化房40℃下,滿功率工作45分鐘左右,電容器內部薄膜溫升達到穩定,并隨著工作時間的增加,溫度一直穩定下去.

目前DC-LINK電容器模組(MKP-LA)和高壓諧振電容器模組(MKPH-RA)經過多家合作單位批量使用后,本司創格電子已對該系列電容器模組產品成功申請國家專利.

6、總結

IGBT可以由單管形式做成模塊形式,散熱效果好,過流能力強.本司參考IGBT內部散熱結構,研發出帶鋁殼散熱結構的電容器模組,應用在感應加熱設備上.經過多家合作單位批量使用后,已于2010年大量推廣使用.

隨著感應加熱設備市場需求量的不斷增加,產品競爭越來越激烈.企業要提高自身產品的市場占有率,必須投入人力物力,對舊產品進行更新,技術進行升級,才能提升企業自身的競爭力.