隔直電容為的是兩個電路之間的隔離！但它同時又承擔著傳輸信號的功能，傳輸信號電容越大信號損失越小，而且容量大有利于低頻信號的傳輸。在電路中用于隔離直流電，而只允許交流電通過的電容，在此電路中叫“隔直電容器”。

電容隔直原理是什么

電容器的結構是兩塊極板，中間隔著一層絕緣體，所以，正常情況下電容器是不會有電流通過的（除非中間的絕緣被擊穿）。

在交流環境下，電源頻率越大，角頻率ω就越大，容抗就越小，當小到與其他阻抗忽略不計時，甚至可以認為是短路。而在直流環境下，電源頻率為0，ω趨近無窮小，容抗無窮大，沒有直流電流通過。因此，交流電流可以通過電容；不能通過電容。電容不能流通直流的外在表現是：當電容器接入直流回路時，會有一個短暫的充電過程，當正負極板都充滿電荷，即電容器兩端電壓等于電源電壓以后，就沒有直流再流動，所以說電容是隔離直流電流的。

隔直電容的性能

隔直電容通常串接在一個差分鏈路的每根數據線上，它有很多用途。例如，它可以轉換一個信號的平均直流偏置電平，以適合于不同電壓標準的邏輯器件。它可以保護發射器、接收器，使之免受因上電序列不良而出現破壞性過載事件的危害。它可以作為電路功能的一部分，檢測線路斷連的情況。在所有這些應用中，隔直電路都不得損壞通過它的數據。

圖1給出了一個隔直電容的典型電氣模型，可以用一個串行鏈路將其串接。該模型顯示了一個PCB走線的輸入和一個輸出。實際上，電容是焊在連接輸入與輸出走線的焊盤上。電氣上看，圖中用一個邏輯圖替代了實際的電容，該邏輯符號包括三個主要元件，都是電容的標準電氣模型。CBULK 表示元件的標稱電容。LSERIES 是與焊盤、過孔和信號電流所穿過電容體任何部分相關的布局電感。RSERIES 是元件的等效串聯電阻。圖1列出了一個普通EIA 0402尺寸6.3V電容的典型值。圖中亦包含了第四只元件CBODY。該元件表示實際電容體與所有其它鄰近物體（包括參考面）之間的寄生電容。

圖1 在一個隔直電容中，在3.125 GHz時，CBULK和RSERIES的阻抗是可忽略的。LSERIES和CBODY的值最關鍵。

在任何電路分析中，第一步都是對電路阻抗做一個快速評估，看是否可以忽略掉任何元件。假設鏈接速率為6.25 Gbps，交錯101010模式（可以做出的最快模式）的頻率等于3.125 GHz。圖1列出了這一頻率下，四個模型元件的阻抗大小。

體電容與串聯電阻的阻抗可以忽略不計；串聯電感與寄生并聯電容是主要的成份。電路看起來像一個針對分布式傳輸線的梯形模型單穩態部分。電路的阻抗等于

當一個上升沿到達輸入終點時，如果電路的體電容過大，而串聯電感過小，則阻抗小于PCB走線的阻抗，電路表示為一個簡單的負脈沖。另一方面，如果電路的串聯電感過大，而體電容過小，則阻抗大于PCB走線的阻抗，電路表示為一個簡單的正脈沖。將電感與電容調節到正確的比率，電路就變得幾乎完全電氣透明。這就是優秀隔直電容性能的秘密。

一種降低體電容的方式是在電容下方的參考面上，切割出一個小的圓形空洞，從而對地釋放了電容，并略微增加了串聯電感。這兩個結果都提高了電路的阻抗。

一名模擬工程師可能建議說，可以主動地縮小體電容的值，直到由體電容和串聯電感所形成的串聯諧振頻率與3.125 GHz相適應。不幸的是，只有在窄帶情況下，以這種方式調節體電容才會獲得利益，并且仍留有寄生體電容，產生出反射。增大儲能電容，直到其阻抗可以忽略，這樣就只要考慮串聯電感和體電容。這些元件之間可以做均衡，以獲得幾乎理想的性能

隔直電容在逆變電源中的作用

在弧焊逆變電源中，全橋式主電路具有輸出功率大的優點，但是全橋主電路變壓器容易發生偏磁！變壓器磁心工作滯回線偏離中心零點，正反向脈沖過程中磁工作狀態不對稱的現象’，偏磁的存在會降低效率，甚至勵磁電流大到將變壓器燒毀，嚴重影響逆變焊機的正常工作X$Y。抑制偏磁的方法有很多，如隔直電容法X0Y、變壓器峰值電流控制法X&Y等，其中以隔直電容法最為簡單，但由于缺乏具體適用范圍以及抑制能力的詳細研究資料，對其抗偏磁作用說法不一，有的認為隔直電容能完全消除變壓器偏磁，有的認為隔直電容基本無抗偏磁能力作用等X“Y，有的認為隔直電容只適合于小功率X1Y。為此，分析了隔直電容對偏磁的抑制作用，并采用電路理論建立了帶隔直電容的全橋主電路的等效電路，通過求解與分析等效電路得出了實際意義的結論，并對結論用計算機仿真的方法進行了驗證。

隔直電容抑制偏磁的原理

當全橋逆變電路的變壓器發生偏磁時，變壓器一次側電壓波形發生正負半波伏秒積不等，變壓器磁心工作區單向飽和，導致勵磁電流急劇增大，這種不平衡會隨著時間的增加累積下來，勵磁電流可以大到將變壓器燒毀，隔直電容法抑制偏磁是在變壓器一次側串聯一個參數合適的電容，此電容可以消除變壓器一次側電壓波形中的直流成分，當單向伏秒積增大時，產生的直流成分會被隔直電容抑制，在一定程度上全橋電路變壓器偏磁受到抑制。

隔直電容在抑制變壓器偏磁過程中的電路分析

帶隔直電容全橋逆變電源原理簡圖如圖1所示。

最大磁心磁通偏移量

在全橋電路中，對于功率器件飽和電壓或導通脈沖寬度不一致引起的電路不平衡，隔直電容抗偏磁過程是一個二階過程。在偏磁的調整過程中存在最大磁通偏移量，在出現最大磁通偏移量后，磁通偏移量逐漸穩定在一個常數，最大偏移量的幅度和電路參數有關，在設計時只要合理選擇電路參數和變壓器磁心的飽和磁通量，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飽和磁通量，可避免變壓器飽和，從而防止逆變失敗。選擇合適的隔直電容和磁心可以得到合適的最大磁心磁通偏移量。

隔直電容抑制全橋逆變器變壓器偏磁的計算機仿真分析

仿真采用的軟件是PSPICE電路分析軟件，pwm芯片采用SG3525，霍爾電流傳感器用一個電容控制的電壓源模型代替，采樣后反饋到SG3525全橋電路在未加隔直電容情況下（瞬態分析，采樣時間1ms，小給定電流80A），仿真結果如圖2所示。仿真結果中正負半波電壓嚴重不平衡，變壓器發生偏磁，這種不平衡會導致變壓器勵磁電流增加，嚴重時發生燒毀。圖3為同樣條件下有隔直電容10nf的情況下，變壓器一次側電流的波形，正負半波基本對稱，變壓器偏磁得到抑制。從2個圖中可以看出在變壓器一次側加入10nf的隔直電容后，正負脈沖得到平衡仿真結果和理論分析相符合，隔直電容的存在確實對偏磁有一定的抑制作用。如果隔直電容足夠小，就有能力阻擋大部分直流成分的通過，使得變壓器正負伏秒積得到平衡，瞬態分析結果顯示效果相當明顯

全橋電路逆變器變壓器一次側在有隔直電容，小給定電流，隔直電容為100nf時的瞬態分析結果（采樣時間0-1ms）如圖4所示。

可以看出，在有100nf的隔直電容時變壓器一次側的磁心工作狀況比沒有隔直電容時要改善，但是效果不夠理想，一次側電壓伏秒積不平衡狀況仍然存在，變壓器還是有被燒毀的可能。因此，在用隔直電容法來防止逆變器變壓器偏磁時，隔直電容如果過大，抑制偏磁的效果會受到影響，以上仿真結果和前面的理論分析相符。

隔直電容對輸出功率影響的電路分析

在忽略變壓器漏感影響的情況下，對全橋主電路變壓器一次側作等效變換，等效電路如圖5所示。電壓源為540V方波電壓，等效電路是一階電路

逆變過程中隔直電容的初始電壓與IGBT管電壓降相反，所以電壓源對電容充電的過程分為2個階段，第一個階段是對反向電壓進行放電，由于電場方向和電流方向一致，電場與電荷移動方向相同，這個階段時間t2極短，可以忽略不計。第二個階段就是電壓源對電容進行充電過程，這段時間$.取決于時間常數RC，即取決于隔直電容的大小。

隔直電容為10NF時隔直電容兩端的電壓如圖6所示。當逆變頻率為20KHZ、占空比為最大50%時，逆變脈沖寬度為25μs。從圖中可以看出，當隔直電容為10nf時，平均電壓接近于540V，電容兩端電壓在6μs時就接近540V，隔直電容為100nf時，兩端電壓大約經過30μs才接近540V，100nf隔直電容兩端平均電壓明顯小于10nf的隔直電容兩端平均電壓。反向導通時分為2個階段，第一個階段由于沒有電場的影響，正向電荷迅速被電源直流電壓中和，這個時間非常短，可以忽略不計；第二個階段是電容充電的過程，電壓按指數規律增長，直到下一次

反向脈沖的到來。IGBT的ce間電壓μ2=540-μ1。

所以電容越大，IGBT上的平均電壓越大，IGBT和變壓器一次側串聯，所以變壓器一次側線圈的平均電流也越大，輸出功率也就越大。因此在小隔直電容的作用下，由于電容時間常數的影響，IGBT的導通時間比給定的小，從而影響變壓器的輸出功率。

沒有隔直電容的情況下，給定200A電流全橋逆變電路的瞬態分析（0-0.5ms）如圖7a所示。圖中粗線表示IGBT的驅動電路波形，由于大給定電流，脈寬達到最大，斜線是輸出電流的瞬態波形，電流達幾百安培，變壓器一次側的脈寬也很大，占空比和驅動電路波形一致，電源輸出功率較大。在加了隔直電容10μ的情況下，大給定電流200A的全橋逆變電路的計算機仿真結果如圖7b所示。粗線條表示的是驅動波形，與圖7a相比，由于隔直電容的存在，變壓器一次側的占空比比驅動信號占空比小很多，導致二次側輸出電流也較小，只有20A左右。隔直電容的存在嚴重影響了輸出功率，這和上面的電路分析計算的結果取得了一致。

從圖中可以看出，由于隔直電容的存在，有效脈寬減小了。在有隔直電容的作用下，如果電容的時間常數比較小，會使得IGBT和變壓器一次側脈沖的幅值和脈寬都減小，變壓器的輸出功率也隨之減小，仿真結果和理論分析取得了一致。

A.隔直電容對于全橋逆變電路中的變壓器偏磁有一定的抑制作用，電容越小，抑制效果越好。隔直電容對輸出功率有較大影響，隔直電容越小，IGBT的有效導通脈寬越小，輸出功率也越小。

B.采用隔直電容的方法防止逆變電源變壓器偏磁時，應合理選擇隔直電容的參數，在保證變壓器不出現大的偏磁情況下，提高逆變電源的輸出功率。