隔直电容的作用及原理

隔直电容为的是两个电路之间的隔离！但它同时又承担着传输信号的功能，传输信号电容越大信号损失越小，而且容量大有利于低频信号的传输。在电路中用于隔离直流电，而只允许交流电通过的电容，在此电路中叫“隔直电容器”。

电容隔直原理是什么

电容器的结构是两块极板，中间隔着一层绝缘体，所以，正常情况下电容器是不会有电流通过的（除非中间的绝缘被击穿）。

在交流环境下，电源频率越大，角频率ω就越大，容抗就越小，当小到与其他阻抗忽略不计时，甚至可以认为是短路。而在直流环境下，电源频率为0，ω趋近无穷小，容抗无穷大，没有直流电流通过。因此，交流电流可以通过电容；不能通过电容。电容不能流通直流的外在表现是：当电容器接入直流回路时，会有一个短暂的充电过程，当正负极板都充满电荷，即电容器两端电压等于电源电压以后，就没有直流再流动，所以说电容是隔离直流电流的。

隔直电容的性能

隔直电容通常串接在一个差分链路的每根数据线上，它有很多用途。例如，它可以转换一个信号的平均直流偏置电平，以适合于不同电压标准的逻辑器件。它可以保护发射器、接收器，使之免受因上电序列不良而出现破坏性过载事件的危害。它可以作为电路功能的一部分，检测线路断连的情况。在所有这些应用中，隔直电路都不得损坏通过它的数据。

图1给出了一个隔直电容的典型电气模型，可以用一个串行链路将其串接。该模型显示了一个PCB走线的输入和一个输出。实际上，电容是焊在连接输入与输出走线的焊盘上。电气上看，图中用一个逻辑图替代了实际的电容，该逻辑符号包括三个主要元件，都是电容的标准电气模型。CBULK 表示元件的标称电容。LSERIES 是与焊盘、过孔和信号电流所穿过电容体任何部分相关的布局电感。RSERIES 是元件的等效串联电阻。图1列出了一个普通EIA 0402尺寸6.3V电容的典型值。图中亦包含了第四只元件CBODY。该元件表示实际电容体与所有其它邻近物体（包括参考面）之间的寄生电容。

图1 在一个隔直电容中，在3.125 GHz时，CBULK和RSERIES的阻抗是可忽略的。LSERIES和CBODY的值最关键。

在任何电路分析中，第一步都是对电路阻抗做一个快速评估，看是否可以忽略掉任何元件。假设链接速率为6.25 Gbps，交错101010模式（可以做出的最快模式）的频率等于3.125 GHz。图1列出了这一频率下，四个模型元件的阻抗大小。

体电容与串联电阻的阻抗可以忽略不计；串联电感与寄生并联电容是主要的成份。电路看起来像一个针对分布式传输线的梯形模型单稳态部分。电路的阻抗等于

当一个上升沿到达输入终点时，如果电路的体电容过大，而串联电感过小，则阻抗小于PCB走线的阻抗，电路表示为一个简单的负脉冲。另一方面，如果电路的串联电感过大，而体电容过小，则阻抗大于PCB走线的阻抗，电路表示为一个简单的正脉冲。将电感与电容调节到正确的比率，电路就变得几乎完全电气透明。这就是优秀隔直电容性能的秘密。

一种降低体电容的方式是在电容下方的参考面上，切割出一个小的圆形空洞，从而对地释放了电容，并略微增加了串联电感。这两个结果都提高了电路的阻抗。

一名模拟工程师可能建议说，可以主动地缩小体电容的值，直到由体电容和串联电感所形成的串联谐振频率与3.125 GHz相适应。不幸的是，只有在窄带情况下，以这种方式调节体电容才会获得利益，并且仍留有寄生体电容，产生出反射。增大储能电容，直到其阻抗可以忽略，这样就只要考虑串联电感和体电容。这些元件之间可以做均衡，以获得几乎理想的性能

隔直电容在逆变电源中的作用

在弧焊逆变电源中，全桥式主电路具有输出功率大的优点，但是全桥主电路变压器容易发生偏磁！变压器磁心工作滞回线偏离中心零点，正反向脉冲过程中磁工作状态不对称的现象’，偏磁的存在会降低效率，甚至励磁电流大到将变压器烧毁，严重影响逆变焊机的正常工作X$Y。抑制偏磁的方法有很多，如隔直电容法X0Y、变压器峰值电流控制法X&Y等，其中以隔直电容法最为简单，但由于缺乏具体适用范围以及抑制能力的详细研究资料，对其抗偏磁作用说法不一，有的认为隔直电容能完全消除变压器偏磁，有的认为隔直电容基本无抗偏磁能力作用等X“Y，有的认为隔直电容只适合于小功率X1Y。为此，分析了隔直电容对偏磁的抑制作用，并采用电路理论建立了带隔直电容的全桥主电路的等效电路，通过求解与分析等效电路得出了实际意义的结论，并对结论用计算机仿真的方法进行了验证。

隔直电容抑制偏磁的原理

当全桥逆变电路的变压器发生偏磁时，变压器一次侧电压波形发生正负半波伏秒积不等，变压器磁心工作区单向饱和，导致励磁电流急剧增大，这种不平衡会随着时间的增加累积下来，励磁电流可以大到将变压器烧毁，隔直电容法抑制偏磁是在变压器一次侧串联一个参数合适的电容，此电容可以消除变压器一次侧电压波形中的直流成分，当单向伏秒积增大时，产生的直流成分会被隔直电容抑制，在一定程度上全桥电路变压器偏磁受到抑制。

隔直电容在抑制变压器偏磁过程中的电路分析

带隔直电容全桥逆变电源原理简图如图1所示。

最大磁心磁通偏移量

在全桥电路中，对于功率器件饱和电压或导通脉冲宽度不一致引起的电路不平衡，隔直电容抗偏磁过程是一个二阶过程。在偏磁的调整过程中存在最大磁通偏移量，在出现最大磁通偏移量后，磁通偏移量逐渐稳定在一个常数，最大偏移量的幅度和电路参数有关，在设计时只要合理选择电路参数和变压器磁心的饱和磁通量，使得磁心的最大磁通偏移量和最大工作磁通量之和小于磁心的饱和磁通量，可避免变压器饱和，从而防止逆变失败。选择合适的隔直电容和磁心可以得到合适的最大磁心磁通偏移量。

隔直电容抑制全桥逆变器变压器偏磁的计算机仿真分析

仿真采用的软件是PSPICE电路分析软件，pwm芯片采用SG3525，霍尔电流传感器用一个电容控制的电压源模型代替，采样后反馈到SG3525全桥电路在未加隔直电容情况下（瞬态分析，采样时间1ms，小给定电流80A），仿真结果如图2所示。仿真结果中正负半波电压严重不平衡，变压器发生偏磁，这种不平衡会导致变压器励磁电流增加，严重时发生烧毁。图3为同样条件下有隔直电容10nf的情况下，变压器一次侧电流的波形，正负半波基本对称，变压器偏磁得到抑制。从2个图中可以看出在变压器一次侧加入10nf的隔直电容后，正负脉冲得到平衡仿真结果和理论分析相符合，隔直电容的存在确实对偏磁有一定的抑制作用。如果隔直电容足够小，就有能力阻挡大部分直流成分的通过，使得变压器正负伏秒积得到平衡，瞬态分析结果显示效果相当明显

全桥电路逆变器变压器一次侧在有隔直电容，小给定电流，隔直电容为100nf时的瞬态分析结果（采样时间0-1ms）如图4所示。

可以看出，在有100nf的隔直电容时变压器一次侧的磁心工作状况比没有隔直电容时要改善，但是效果不够理想，一次侧电压伏秒积不平衡状况仍然存在，变压器还是有被烧毁的可能。因此，在用隔直电容法来防止逆变器变压器偏磁时，隔直电容如果过大，抑制偏磁的效果会受到影响，以上仿真结果和前面的理论分析相符。

隔直电容对输出功率影响的电路分析

在忽略变压器漏感影响的情况下，对全桥主电路变压器一次侧作等效变换，等效电路如图5所示。电压源为540V方波电压，等效电路是一阶电路

逆变过程中隔直电容的初始电压与IGBT管电压降相反，所以电压源对电容充电的过程分为2个阶段，第一个阶段是对反向电压进行放电，由于电场方向和电流方向一致，电场与电荷移动方向相同，这个阶段时间t2极短，可以忽略不计。第二个阶段就是电压源对电容进行充电过程，这段时间$.取决于时间常数RC，即取决于隔直电容的大小。

隔直电容为10NF时隔直电容两端的电压如图6所示。当逆变频率为20KHZ、占空比为最大50%时，逆变脉冲宽度为25μs。从图中可以看出，当隔直电容为10nf时，平均电压接近于540V，电容两端电压在6μs时就接近540V，隔直电容为100nf时，两端电压大约经过30μs才接近540V，100nf隔直电容两端平均电压明显小于10nf的隔直电容两端平均电压。反向导通时分为2个阶段，第一个阶段由于没有电场的影响，正向电荷迅速被电源直流电压中和，这个时间非常短，可以忽略不计；第二个阶段是电容充电的过程，电压按指数规律增长，直到下一次

反向脉冲的到来。IGBT的ce间电压μ2=540-μ1。

所以电容越大，IGBT上的平均电压越大，IGBT和变压器一次侧串联，所以变压器一次侧线圈的平均电流也越大，输出功率也就越大。因此在小隔直电容的作用下，由于电容时间常数的影响，IGBT的导通时间比给定的小，从而影响变压器的输出功率。

没有隔直电容的情况下，给定200A电流全桥逆变电路的瞬态分析（0-0.5ms）如图7a所示。图中粗线表示IGBT的驱动电路波形，由于大给定电流，脉宽达到最大，斜线是输出电流的瞬态波形，电流达几百安培，变压器一次侧的脉宽也很大，占空比和驱动电路波形一致，电源输出功率较大。在加了隔直电容10μ的情况下，大给定电流200A的全桥逆变电路的计算机仿真结果如图7b所示。粗线条表示的是驱动波形，与图7a相比，由于隔直电容的存在，变压器一次侧的占空比比驱动信号占空比小很多，导致二次侧输出电流也较小，只有20A左右。隔直电容的存在严重影响了输出功率，这和上面的电路分析计算的结果取得了一致。

从图中可以看出，由于隔直电容的存在，有效脉宽减小了。在有隔直电容的作用下，如果电容的时间常数比较小，会使得IGBT和变压器一次侧脉冲的幅值和脉宽都减小，变压器的输出功率也随之减小，仿真结果和理论分析取得了一致。

A.隔直电容对于全桥逆变电路中的变压器偏磁有一定的抑制作用，电容越小，抑制效果越好。隔直电容对输出功率有较大影响，隔直电容越小，IGBT的有效导通脉宽越小，输出功率也越小。

B.采用隔直电容的方法防止逆变电源变压器偏磁时，应合理选择隔直电容的参数，在保证变压器不出现大的偏磁情况下，提高逆变电源的输出功率。