汽车逆变器中间电路中用于存储和缓冲能量的电容器是直流链路电容器（图 1 中绿色轮廓部分）。具有此电容的直流链路电容器的主要目标是充分吸收快速开关三相逆变器功率级产生的电流纹波，该功率级通过短电缆或母线连接到电机。
图 1. 简化的动力传动系统电路图原理图和电容器电流流动示例。图片由 Rambow Technology 和 Bodo's Power Systems提供
选择电容是为了控制直流母线电压纹波，同时提高系统能量密度。这些电容器通常在 400 V DC至 800 V DC的高电压下工作。众所周知，汽车行业要求零部件在高负荷工作（例如在极高的温度、振动和湿度下）时具有出色的可靠性。对于所有逆变器而言，直流母线电容器作为 A 级零部件，确实是设计、可靠性以及终成功的关键。脉冲宽度调制电动汽车逆变器中的直流母线电容有许多或多或少复杂的计算公式（图 2）。
图 2. PWM - 占空比以正弦方式变化。图片由 Rohde & Schwarz 和 Bodo's Power Systems提供
在汽车动力传动系统中，直流链路薄膜电容器直接安装在单个开关或半导体功率模块（如果使用 B6 或半桥）上，ESL 和 ESR 值非常低（图 1 中绿色部分）。电容器与功率模块的距离是化功率级和电容器本身之间的杂散电感的一个重要目标。
应用重叠母线概念可使 ESL 尽可能低，而 ESR 则由电容器本身的内部结构决定。即使电容器电流路径中只有几纳亨的杂散电感，也会使开关频率下的阻抗升高到抵消其有效性的水平。较大的纹波电压表示大容量电容器中流过的纹波电流较大，并可能导致 ESR 中的功率耗散过多。在成为热限制因素之前，正确选择电容器及其位置可以对汽车的EMC 稳健性产生积极影响。如果纹波电压和相应的电流保持在较低水平，对汽车安全相关系统的潜在影响也会大大降低，因此车辆的电气系统中不会发生可能影响其他功能模块的干扰。
随着频率的增加，电池和电缆寄生源电感导致阻抗增加。直流链路电容器阻抗下降，因此它成为高频交流电循环电容器纹波电流（ICrms）的路径。
负载电流 (IMrms) 幅度和由此产生的电容器纹波电流 (ICrms)、占空比（dc 或 m；坏情况下 m=0.5）、开关频率 (f) 和温度 (T(C)) 是决定电容器端子间纹波电压幅度的典型因素。由于纹波电压幅度与输出负载电流成正比，因此电流纹波幅度出现在输出负载时，这并不奇怪。图 3 中的实线显示了计算出的交流均方根纹波幅度，该幅度在电容器中产生了所考虑的损耗。它达到 50% 的值占空比。图表 [来源：TI ] 显示了此幅度在 50% 的两侧如何下降。
图 3. 震级在 50% 的两侧下降。图片由德州仪器和 Bodo's Power Systems提供
各种类型的电容器结构都会影响所考虑的电容。虽然传统的高电容电解电容器在这一应用领域中并不起主要作用，但电力薄膜电容器技术却成为焦点——这是有充分理由的。事实上，电力薄膜电容器技术为设计带来了一些宝贵的优势，包括：
低 DF（耗散因数）= 低 ESR = 低损耗
高电流纹波电流能力
干施工=无需担心蒸发
在一定限度内自我修复
电力薄膜直流链路电容器的设计考虑因素
每个薄膜电容器元件内的热点温度限制为 105°C（对于广泛使用的聚丙烯薄膜）。虽然电容器的自热温度为 20°C，但散热器温度不应超过 85°C。目前已有 125°C 的薄膜材料，但成本和尺寸使其缺乏吸引力，并且在实践中无法提供更好的技术商业匹配。因此，必须验证冷却情况。每个电容器元件内的任何超过 105°C 的温度都将造成损坏并大大缩短其使用寿命。如果可以接触到，您可以在电容器表面中间测量热点温度。结果接近内部现有温度，因为大多数这些直流链路电容器体积庞大，并且与半导体相比温度上升非常缓慢。尽管如此，汽车逆变器设计中的直流链路电容器必须冷却并安装在散热器上。在情况下，液冷散热器的冷却液应先通过电容器，然后再冷却热半导体开关，同时考虑温度限制和耗散量（以瓦特为单位）。选择直流链路电容器时的另一个考虑因素是降额与施加的温度和电压的关系。请查看数据表或询问制造商了解详细信息。
除了温度之外，其他考虑因素还有湿度、振动和（化学）污染。
计算电容值
对于电容器，纹波电流引起的负载和由此产生的纹波电压是首要选择标准。电容器必须处理的纹波电流，而不会因 ESR（等效串联电阻）的耗散而过热，通常是重要的因素。这通常会导致电容远高于计算值。
ICrms=√3√2?m?cosφ?IMrms=1.22?0.5?0.8?IMrms≈0.5?IMrms 电容器 - 纹波电流 I Crms
交流电流流过电容器ESR引起的加热效应如下：
公式1：电容器有效值电流（I Crms）的简化计算假设：
I Mrms (IPhx) = 电机相电流（安培）
Cos ~ 0.8（典型值）
m = 调制指数（上面提到的坏情况）= 0.5
例子：
我Mrms = 250A
I Crms = 1.22 * 0.5 * 0.8 * 250A 0.5 * 250A = 125A尽管如此，对于三相系统，以下公式更合适：
I Crms = 1.3 * I Mrms / 2
公式2：常用的电容器有效值电流（I Crms）的简化计算
图 4. 具有温度限制的 ICrms。图片由 Bodo's Power Systems提供
图 5. 使用 TDK 薄膜电容器对 IFX HP-Drive 模块进行测量。图片由 Mankel-Engineering.de 和 Bodo's Power Systems [PDF]提供例子：
I Crms = 1.3 * 250A * 0.5 = 1.3 * 125A = 162,5A通过这些粗略计算的电容器纹波电流，您可以检查电容器数据表（图4），并确定哪一个适合您的设计以覆盖该值。
图 5 显示了 PWM 逆变器电流测量的示例。
CH2和CH4的电流分别用罗氏线圈测量，CH3的电流则用有源交流/直流电流钳测量。
CH2显示从直流电源（在本例中为电池）抽取的电流。电流幅度的频率为输出频率，叠加了开关频率的电流纹波。电流纹波取决于直流链路电容和电源线的漏电感。
CH3显示带有脉宽调制纹波的相电流。电流纹波主要取决于负载电感。
CH4表示通过脉冲宽度调制从半桥直流链路电容器中抽取的电流。通过半导体开关的脉冲宽度调制和输出电流的包络，电流被驱动到负载电感中。
在这种情况下，当使用HP-Drive模块的专用电容器时，由于电容器的特定连接条件，只能测量每个半桥的电流。
电容器 - 纹波电压 V r
公式中使用的值的解释-（图 6（简化）和 7）。
图 6.简化的直流母线电压开关纹波 (Vr)。图片由 Rambow-Technology 和Bodo's Power Systems 提供
额定电压 (直流电压) V R =V DC纹波电压 V ripple = V r = V pp = V pkpk
图 7. 直流母线电压开关纹波 (Vr) - 修改后的曲线、结果 (蓝色轨迹) 和计算的峰峰值包络线 (红色轨迹) 随时间的变化；m = 0.50。图片由 Rambow Technology 和 Bodo's Power Systems提供并修改了曲线
额定电压 (直流电压) V R =V DC纹波电压 V ripple = V r = V pp = V pkpk 公式3：电容纹波电压的简化计算
例如，如果OEM或Tier1指定纹波电压（V r）为+-12V，则波形的峰值电压（V pk）为12V，但纹波电压为24V。
V Crms = Vpk * 0.7071 = 12V x 0.7071 = 8.48V电容器 - 电容
计算电容C代表频率，单位为赫兹（Hz），周期持续时间，单位为秒（s）。 f=1τω=2?π?f
重新排列方程式： C?2?π?f=ICrmsVripple
2?π?f?C=VrippleICrms
方程：
C=ICrms2?π?f?VrippeluF
公式4：计算电容值-预计为真实！
例子：
V R或 V DC = 400V
f=10kHz（10000赫兹）
我Crms = 180A
V峰-峰值= V纹波= 8V
直流=m=0.5
电容可以近似地表示为：
C=ICrms2?π?f?Vripple=1802?3.14?10?1000?8=358uF
功率耗散
DCLink 电容器将经历内部加热，并且随着半导体纹波电流频率的增加，加热也会增加。根据上述示例，计算低 ESR 的电力电容器损耗 - 例如 ~0.5mOhm：
PC = I2 Crms * R CESR
公式 5：电容器功率耗散
P C =180?A * 0.5毫欧姆 = 32400 * 0.0005 = 16.2瓦以下100kW逆变器的电容值基于实践知识：
450V 系统为 650uF 电容器 650uF/500Vr
800V 系统为 400uF 电容器 400uF/855Vr
不要忘记——电容器的总发热和温升取决于以下主要因素：
自热
母线上的直流电流
半导体（极片）的热注入
冷却
时间
衡量结果
现在，您已经临时计算了所需的电容值以选择电容器，但您还没有完成。在设备的终硬件环境中测量和评估结果将验证您的结果，而查看以下问题将帮助您防止意外的热损坏。更多的电容不会降低纹波电压。
从 可以看出，增加比所需更多的电容不会有效降低纹波电压。使用 ~350 uF 电容可实现 ~12V 的允许纹波电压。500 uF 和 650 uF 之间的电容值似乎是处理电容器纹波电流的好方法。花费更多并不划算。
谐振和电容器损耗
电容器和开关电路之间的谐振会导致频谱变宽。通常，对于 10 kHz 逆变器，人们喜欢在 100 kHz 时停止测量 - 图 9 显示了这样的结果，这似乎不错。但是，当电容器因温度问题而“意外”失效时，您可能会感到惊讶。该图显示的分析并不代表设计良好的逆变器的性能。
考虑高达 MHz 范围的极宽频谱（图 10）。
对于高速 IGBT 和 SiC 宽带隙半导体，开关频率可升至 20 kHz 甚至更高。重要的是，与专用于电机控制应用的传统 IGBT 相比，这些元件的 di/dt 和 dV/dt 固有更高。半导体开关电流继电器在 100 kHz 以上的影响下会产生主要损耗。因此，考虑仅高达 100 kHz 的操作带宽没有任何意义。至少，它应该覆盖来自 PWM 的所有谐波，其幅度高于总 I rms的 10% （例如，300 kHz 甚至高达 MHz 范围）。
这里的关键是什么？
示例 - 查看电力薄膜电容器的 ESR 以及其损耗（ESR）如何随频率变化：
根据数据表，ESR @10kHz ~ 1 x ESR
ESR@50kHz ~ 2 x ESR@10kHz
ESR@50kHz 至 100kHz ~ 4 x ESR@10kHz
ESR@100Khz 至 300kHz ~ 6 x ESR@10kHz
事实是，在上述比率下，DCLink 电容器的功率损耗将急剧增加。请记住：
PC = I2 Crms * R CESR
电容器的 ESR 在整个相关电流频谱带宽内都应该很低。
通过一些设计努力，电容器制造商和您可以大幅减少这些影响。
尽管如此，仍有一些其他考虑因素：
即使你有经验，提前估计完整的频谱也不容易。
显示的所有谐波取决于您设置的脉冲宽度调制策略和参数。
汽车逆变器中的直流链电容器受到开关半导体及其瞬变的强烈影响，并且可能产生难以预测的高阶谐波振铃效应。
选择合适的电容器在物理上是可行的，可以使用经典的电工方法，并且需要的寄生模型来构建使用该电容器的功率级。这本质上是一项艰巨的任务。但是，经验和实践结果可以大大有助于缩短设计迭代。
