CN102549688A - 复合电容及其使用 - Google Patents

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Abstract

复合电容部件包括相互电连接的多个物理上能区分的电容器模块。能区分的模块在设计电容部件时允许增加的电和/或几何灵活性。电容器模块的每个包括设置在模块特定印刷电路板PCB上的多个基本电容器。电容器模块的所有基本电容器具有单一类型，这简化了电容部件的生产和维护。

Description

复合电容及其使用
技术领域
本发明涉及电力装置的电容部件领域，具体来说，涉及用作电力频率转换器中的DC链路电容的复合电容。
背景技术
电力频率转换器将单相或三相交流电压转换为具有另一个频率和/或相数的交流电压。如图8所示的现有技术频率转换器通常包括将交流(AC)转换成直流(DC)的整流器、将直流(DC)转换成交流(AC)的逆变器以及连接整流器和逆变器的DC链路。DC链路包括充当DC链路电压的能量存储和滤波器的电容部件。
电力频率转换器或其它电力装置中使用的常规电容部件包括一个或数个电容器，电容器直接安装在电力频率转换器的主电路板上，并且趋向于占用主电路板上的大面积。另外，对于基于来自于多种不同电容器类型的电容器的一系列电力装置的制造商，供应链管理是一个重要问题。最后，主电路板上的出故障电容器的更换可能是费时费力的。
因此，本发明的一个目的是创建一种克服了上述缺点的电容部件。
US 6215278公开具有改进封装密度并且包含串联连接电容器单元的单一类型的盒式电容器模块，串联连接电容器单元设置在电容器组中，其中散热器安装在位于电容器组外部的模块的端面上。定位在模块的任何表面上的柔性印刷电路包括用于监测信号的互连。折叠电容器单元不是刚性地安装在支承板上，而是紧密地挤入堆叠单元的相对端的两个压力板之间。
US 4912597公开具有在平行的两行依次设置的十个基本电容器的电容器组，各行的电容器电连接到两个平行介电印刷电路板(PCB)的相应一个。两个PCB是相同的，并且包括按照完全相同的方式来配置和设置的铜覆层和介电带。相应地，各由PCB和一行五个电容器组成的两个模块在物理上不是能区分的。
发明内容
按照本发明，提出一种复合电容，该复合电容包括相互电连接的多个物理上能区分的电容器模块。电容器模块的每个包括安装于并且电连接到模块特定印刷电路板(PCB)的一定数量的基本电容器，其中来自多个模块的所有基本电容器属于单一类型。
在本发明的上下文中，物理上能区分的电容器模块呈现不同的机械和/或电气性质。也就是说，多个物理上能区分的电容器模块之中的两个电容器模块可具有不同数量的基本电容器。或者两个模块的PCB可在形状、大小、厚度或拓扑方面加以区分。能区分的模块还可在其上安装的基本电容器的内部布线、印刷电路或者电互连方面有所不同。
从单一类型的基本电容器来组成复合电容极大地简化其生产和维护。在可用于装置内部的电容部件的体积可能在至少一个方向受到限制或局限的那些电力装置中，通过使用多个电互连电容器模块所获得的空间灵活性是有利的。通过不同电容器模块所实现的几何上灵活的设置、包括将它们相互之间成任意角度设置并且占用常规电容部件无法填充的电力装置中的周边面积的可能性最终耗用电力装置中的较小空间。
按照本发明的一个优选实施例，电容器模块的至少一个安装于并且电连接到支承板，其中其所有圆柱基本电容器的中心轴设置成与支承板的表面大致平行。
按照本发明的另一个优选实施例，一个模块的基本电容器设置在模块特定PCB的一侧或两侧。基本电容器通过印刷电路电连接在模块特定PCB之上或之中，以便构成电容器模块的总电容。
按照本发明的另一个优选实施例，模块包括设置在模块特定PCB上的附加部件，例如分压电路、高频电容器、充电和放电电路或者电容器诊断电路。分别通过简化与其它模块的连接，扩展高频带宽，并且检测模块的性能，附加部件有助于复合电容的更完整功能性。
按照本发明的另一个优选实施例，模块特定PCB可包括准许冷却空气经过的孔，并且沿与基本电容器的中心轴平行的方向建立冷却空气流。孔设置在与基本电容器之间的空旷区域(open area)重叠的区域中，其中在沿所述方向查看模块时，PCB是可见的。
本发明还涉及上述复合电容作为空间受限低压或中压电力频率转换器中的DC链路电容的使用。
附图说明
图1示出按照本发明的复合电容；
图2、图3和图4示出复合电容的三个电容器模块；
图5和图6示出电容器模块的两个示意截面；
图7示出基于五种不同类型的基本电容器的五个电容器模块；
图8示出现有技术电力频率转换器的示意图。
具体实施方式
图1示出具有多个电容器模块(32、33、34和35)的复合电容，其中各电容器模块包括模块特定PCB(印刷电路板)并且安装在支承板(31)上。多个电容器模块通过支承板上的适当连接电路按照串联和/或并联连接相互电连接。电容器模块和支承板共同形成将要在诸如电力频率转换器之类的电力装置中使用的复合电容或电容部件。各电容器模块包括一个单一模块特定PCB，并且设置在单一PCB上的所有圆柱基本电容器(36)是同一板特定模块的组成部分。电容器模块按照如下方式安装在支承板上：使得所有圆柱基本电容器的中心轴设置成与支承板的表面大致平行。
所安装模块的数量、其相互布置以及各模块的尺寸(例如宽度、长度、深度)能够任意选择，使得所产生复合电容可具有不按照标准矩形体积的整体形状。作为举例，图1所示的电容器模块的布置产生楔形总体积。总电容由支承板上安装的模块的总数、各模块上的基本电容器的数量以及基本电容器电连接的具体细节来组成。
多个电容器模块之中的至少两个根据例如机械性质或电气性质是物理上能区分的。也就是说，这些不同模块的PCB可在形状、大小、厚度或拓扑方面加以区分。不同模块还可具有不同数量的基本电容器，和/或在基本电容器的内部布线或电互连方面加以区分。因此，两个不同模块的总电容可以不同或相同。
复合电容的结构和配置非常灵活，并且可优化成适合或填充电力装置中的任何可用空间。与仅使用最接近PCB表面的单层体积的常规电容部件相比，所提出的复合电容能够通过堆叠基本电容器来占用PCB表面上方的内部空间的附加部分。例如，图1中的电容器模块(32、33、34、35)示出沿与支承板(31)垂直的方向依次设置的三至六个基本电容器(36)。四个电容器模块相互平行地设置。但是，为了最有效地利用特定电力装置中的不规则空间，两个或更多PCB模块可备选地在其相交处形成任意角度。因此，所提出的复合电容实现电力装置中的可用三维空间的优化使用。
模块能够通过各种连接手段来安装在支承板上。通过适当地选择连接手段，模块能够易于重复安装和移开。也就是说，在单个电容器模块没有正确起作用的情况下，该电容器模块能够直接地由备用电容器模块来更换。此外，如果在操作期间，对于电力装置将要求不同的总电容，则可相应地对支承板添加或者从支承板移开模块。
在以下设计方面，优选的是基于大量具有小电容的基本电容器而不是几个具有大电容的电容器来构建电容器模块。这样，如果只有一个或少数几个基本电容器出故障，而电容器模块的其它基本电容器继续正确地工作，则总电容仅少许地减小。因此，提高了所提出模块的可靠性。
此外，通过低电感PCB上的小电容的大量并联连接，电容器模块的总等效杂散电感变得极低，这可有利地产生稳定开关行为。另外，大量小电容器所生成的总热量通常小于相同电容的几个大电容器所生成的热量。
最后，由大量相同基本电容器所构成的模块的总电容产生可观的规模经济以及简化的供应链管理。
图2中示出第一单独电容器模块。单一类型的许多基本电容器(12)安装在模块特定印刷电路板PCB(11)上。基本电容器的类型和电容能够按照预计应用的要求来任意选择。图2中，基本电容器(12)安装在PCB(11)的两侧。备选地，基本电容器(12)可以仅安装在PCB的单侧。考虑PCB的维度和各基本电容器的占用面积，尽可能多的基本电容器安装在PCB上。也就是说，通过按照正方形或者甚至三角形密排晶格来并排设置基本电容器，电容器所占用的PCB表面的面积与PCB的总表面面积大致相同。
图3示出除了设置在PCB上的基本电容器之外还具有若干电子部件(21)的电容器模块。附加电子部件能够易于与电容器模块集成，以便提高性能或者增加预期功能性。附加部件可包括分压电路、高频电容器和电容器诊断电路。
具体来说，能够集成与主电容器并联连接的专用高频电容器，以便改进模块的频率带宽；并且可集成诊断传感器，以便检测和提高电容器模块的信令性能。可提供分压电路(例如并联电阻器)，以便允许与其它电容器模块的简便串联连接。其它附加功能可通过集成电容器放电和充电电路来增加。
如前所述，基于PCB的电容器模块能够配备有用于任何预计目的或应用的各种连接器。虽然任何市场销售类型的连接器能够用作电容器模块的连接手段，但是图2和图3示出特殊设计的超宽低阻抗连接器(13)。连接器(13)使得有可能易于可逆地将电容器模块附连到支承板以及从支承板拆卸电容器模块。
应当注意，虽然图2和图3所示的PCB具有正方形形状，但是PCB也能够设计成具有任何其它形状。例如，三角形或圆形PCB也是可能的，并且甚至在它将用于其中的电力装置的内部空间看来是优选的。
图4示出在电容器模块的PCB(11)上提供的多个空气对流孔(22)。空气对流孔允许冷却空气沿与PCB上安装的基本电容器(12)平行的方向来流动。为此，孔按照如下方式设置在PCB上：使得在沿基本电容器(12)的方向查看PCB时，孔至少部分是可见的，即，孔与基本电容器之间的间隙基本上重合。
图5和图6示出互连PCB上的基本电容器的无数可能方式之中的两种。
图5示出模块的截面，其中所有基本电容器(41)并联连接并且安装在PCB的一侧上。PCB包括三层，即，正导电层(44)、负导电层(46)以及夹合在上述两个导电层之间的绝缘层(45)。基本电容器的正和负引脚(42、43)在引脚-PCB连接触点(47、49)处与正和负导电层(44、46)连接。具体来说，正引脚42在触点(49)上与正导电层(44)连接，而负引脚经由正导电层中提供的开口或凹口(48)来穿过正导电层，并且在PCB的相对侧的触点(47)处与负导电层(46)连接。类似地，基本电容器能够安装在PCB的两侧上，并且通过两个导电层并联电连接。
图6中示出模块的截面，其中电容器两两串联连接并且安装在PCB的一侧上。与图5相反，上导电层分为第一上导电层(610)和第二上导电层(64)，它们均用作连至上述连接器或者连至其它相邻的基本电容器对的串联触点。
图6中，所有电容器(61)(C1至C4)与底导电层(611)连接。但是，电容器C1和C2均与第一上导电层(610)连接，并且电容器C3和C4均与第二上导电层(64)连接。因此，基本电容器C1和C2作为第一组并联连接；并且基本电容器C3和C4作为第二组并联连接。第一电容器组(C1、C2)与第二电容器组(C3、C4)串联连接。
图7示出具有大致相同总电容并且基于五种不同类型的基本电容器的五个电容器模块(71、72、73、74和75)。基本电容器的几何和电布置产生如下物理性质。
-第一模块A(71)包括4个基本电容器，并且其总表面面积为252675mm2；其总体积为7320404mm3；其总阻抗Zmax(10kHz，20℃)为5mOhm；以及其总纹波电流能力I_AC max(100Hz，85℃)为90.2A。
-第二模块B(72)包括6个基本电容器，并且其总表面面积为247815mm2；其总体积为7179627mm3；其总Zmax(10kHz，20℃)为4.67mOhm；以及其总I_AC max(100Hz，85℃)为97.8A。
-第三模块C(73)包括33个基本电容器，并且其总表面面积为431624mm2；其总体积为7090664mm3；其总Zmax(10kHz，20℃)为4.36mOhm；以及其总I_AC max(100Hz，85℃)为151.8A。
-第四模块D(74)包括50个基本电容器，并且其总表面面积为653975mm2；其总体积为10743430mm3；其总Zmax(10kHz，20℃)为4.88mOhm；以及其总I_AC max(100Hz，85℃)为170A。
-第五模块E(75)包括270个基本电容器，并且其总表面面积为932877mm2；其总体积为6534000mm3；其总Zmax(10kHz，20℃)为4.3mOhm；以及其总I_AC max(100Hz，85℃)为126.9A。
上述模拟结果表示不同模块的总体积具有极小差异。但是，模块75的总表面大约为模块71或72其中之一的四倍。相应地，预计模块75的热耗散比模式71和72的热耗散具有更小的顾虑。此外，模块73、74和75的纹波电流能力(I_AC)比模块71和72的纹波电流能力(I_AC)明显要高。

Claims (8)

1.一种包括相互电连接的多个物理上能区分的电容器模块的复合电容，其中，所述多个电容器模块的每个包括安装于并且电连接到模块特定印刷电路板PCB的一定数量的基本电容器，并且所述多个电容器模块的所有所述基本电容器具有单一类型。
2.如权利要求1所述的复合电容，其特征在于，所述多个物理上能区分的电容器模块之中的第一电容器模块具有的基本电容器的数量与所述多个物理上能区分的电容器模块之中的第二电容器模块上的基本电容器的数量不同。
3.如权利要求1所述的复合电容，其特征在于，所述多个物理上能区分的电容器模块之中的两个电容器模块的所述模块特定PCB在形状、尺寸、厚度、拓扑方面或者在将要安装于其上的所述基本电容器的电互连方面有所不同。
4.如权利要求1所述的复合电容，其中，所述电容器模块的至少一个包括安装在模块特定PCB上的圆柱基本电容器，其特征在于，所述模块特定PCB安装在支承板上，其中所有所述圆柱基本电容器的中心轴设置成与所述支承板的表面大致平行。
5.如权利要求1所述的复合电容，其特征在于，所述基本电容器设置在所述模块特定PCB的一侧或两侧上，并且所述基本电容器通过所述模块特定PCB的印刷电路来连接。
6.如权利要求1所述的复合电容，其特征在于，所述模块的至少一个包括设置在所述模块特定PCB上的分压电路、高频电容器电路、充电和放电电路以及电容器诊断电路中的至少一个。
7.如权利要求1所述的复合电容，其特征在于，所述模块特定PCB包括准许冷却空气经过并且在相邻电容器之间中循环的孔。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的复合电容在电力频率转换器的DC链路中的使用。
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