直流母線電容器的基本要求是它們必須承載的最大紋波電流。然而，即使針對該額定值選擇了正確的元件，電容器組的某些部分也可能變得比計算的溫度高得多，特別是在采用寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的快速開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，在某些情況下會導(dǎo)致災(zāi)難性故障。造成這種情況的原因是寄生諧振產(chǎn)生的隱藏電流。
　　通過使用碳化硅 (SiC) 器件，AC-DC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器正在迅速發(fā)展成為具有更高開關(guān)頻率、效率和功率密度的系統(tǒng)。由于電壓 (du/dt) 和電流 (di/dt) 瞬變速度比硅器件快十倍以上，因此寄生元件效應(yīng)變得更加關(guān)鍵。結(jié)果，電壓過沖更高，振鈴持續(xù)時間更長。這會影響有源和無源元件的使用壽命。
　　典型轉(zhuǎn)換器內(nèi)的關(guān)鍵功能塊是直流鏈路和所有相關(guān)組件。它通常執(zhí)行以下三個功能：
　　提供能量存儲能力以平均整流市電電壓（電網(wǎng)頻率-50/60 Hz）
　　處理由開關(guān)器件引起的開關(guān)頻率（加上諧波）紋波電流（典型開關(guān)頻率范圍為 -20 kHz 至 150 kHz）
　　提供足夠低的高頻換向環(huán)路電感，以避免在開關(guān)期間應(yīng)用高 di/dt 值時出現(xiàn)過大的電壓過沖（MHz 范圍）
　　就技術(shù)而言，前兩個功能通常由相同的電容器來完成。對于最后一個功能，通常需要額外的低電感組件，該組件通常具有低電容，并且必須放置在功率半導(dǎo)體旁邊。特別是對于采用寬帶隙半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換器，由于 di/dt 值較高，這些變得越來越重要。
　　通常，一種電容器技術(shù)處理低頻部分 (L F )，從而處理前兩項任務(wù)，在下文中稱為 C LF 。另一個是高頻部分 (H F )，稱為 C HF。由于C LF 的電容比C HF高得多，因此，其間通常涉及機械上更大、長的互連結(jié)構(gòu)。這樣就得到了等效電路圖（圖 1）?！　±?，雖然層壓母線可以最大限度地減少互連結(jié)構(gòu)的寄生電感（L parasitic），但在分析整個轉(zhuǎn)換器的電容功能塊時必須始終仔細考慮這一點。

　　圖 1. 具有互連結(jié)構(gòu)寄生電感 L parasitic的換相環(huán)路的等效電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　簡化的等效電路
　　可以簡化某些方面以更好地理解反共振機制。　　以LF和HF電容器的并聯(lián)配置為起點，互連結(jié)構(gòu)具有一定的寄生電感（L寄生；圖2a）。由于感興趣的頻率范圍通常高于 LF 電容器的（串聯(lián)）自諧振頻率，因此可以僅用 ESL 代替，而不考慮電容組件（見圖 2b）。另一方面，考慮的頻率范圍通常遠低于 HF 電容器的自諧振頻率，因此可以僅通過其電容部分來近似，而不考慮 ESL。最后，LF 電容器的 ESL 和互連結(jié)構(gòu)的寄生 L 值可求和為單個電感，從而形成圖 2c 所示的簡單 LC 并聯(lián)諧振電路。這將近似整個低頻和高頻電容器電路在其阻抗峰值的頻域中的響應(yīng)。這種并聯(lián)諧振回路現(xiàn)象稱為反諧振。

　　圖 2. 等效電路：a) LF 和 HF 電容器部分與互連結(jié)構(gòu)的寄生 L 并聯(lián)。 b) LF 電容器詳細信息（即 C 和 ESL 串聯(lián)），C 被忽略。 c) 由此產(chǎn)生的反諧振頻率下的簡化等效電路； ESL 和寄生 L 的總結(jié)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　對于這個簡化的等效電路，諧振頻率可以確定如下：
　     fres=12π?√(ESLLF+L寄生)?CHF
　　在此反諧振頻率下，與單獨考慮各個元件的阻抗時相比，電路的阻抗（顯著）上升到預(yù)期值以上。
　　為簡單起見，以下分析中不考慮元件的等效串聯(lián)電阻（ESR）。但一般來說，ESR 越高意味著諧振電路的品質(zhì)因數(shù)越低，因此諧振范圍更寬、更平坦，反之亦然。
　　在這個階段，最重要的是要了解三個關(guān)鍵的電抗元件決定了反諧振頻率：
　　由此產(chǎn)生的 LF 電容器組的 ESL，
　　HF和LF電容器之間的互連結(jié)構(gòu)的電感，以及
　　高頻電容器的電容。
　　計算示例　　將使用簡化的等效電路圖（圖 3 至圖 5）對兩個示例（一個未優(yōu)化和一個優(yōu)化）進行仿真。隨后，優(yōu)化后的示例也將在實際系統(tǒng)中進行測量。在仿真中，阻抗測量發(fā)生在真實系統(tǒng)中半導(dǎo)體開關(guān)的連接點（此處使用 I1 進行阻抗測量）。

　　圖 3. 高電感直流母線電路的等效電路圖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]　　在第一個未優(yōu)化的示例中（圖 3），三個 140 F 的 LF 電容器（總 C LF = 420 F）并聯(lián)，每個電容器的 ESLLF 為 40 nH（總計約 13 nH）和一個 ESR LF 0.6毫歐。在這種情況下，母線設(shè)計不當(dāng)，導(dǎo)致總電感 (L stray_connection ) 為 100 nH。同時，有些人可能會擔(dān)心 HF 電容器是否足夠，因此總共使用 2 F 作為 C HF。圖 4 中的頻率曲線顯示了約 330 kHz 處的阻抗峰值，該峰值不能僅通過各個電容器的阻抗曲線來解釋。這個峰值就是所謂的整個電路的反諧振。

　　圖 4. 高電感直流母線電路的頻率曲線。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　例如，如果諧振轉(zhuǎn)換器連接到此類設(shè)計并在約 110 kHz 下運行（這對于諧振 SiC 拓?fù)鋪碚f并不是一個大挑戰(zhàn)），則 330 kHz 時紋波電流的強三次諧波將完全達到該設(shè)計的阻抗峰值。直流母線設(shè)計不良。在這種情況下，諧振電流可能在電容器 C HF和 C LF 之間循環(huán)，并且寄生電感（圖 3）遠高于紋波電流本身的諧波。這可能會導(dǎo)致電容器過熱甚至失效，因為該諧振電流會在 ESR (I 2 ·R) 上造成額外損耗。
　　這個例子說明了反諧振會變得多么有害，以及確保正確的射頻設(shè)計是多么重要，即使是在這種混合直流母線電容器組件的所謂低頻部分也是如此?！　≡诘诙€優(yōu)化示例（圖 5）中，LF 電容器與第一個優(yōu)化示例完全相同，但特別關(guān)注低電感設(shè)計。母線的漏感為 20 nH，ESR 為 25 mΩ。 HF 電容器組總共有 1F (C HF )、ESL HF為 2 nH 以及 ESR HF為 4 mΩ。

　　圖 5. 低電感直流母線的等效電路圖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供　　在圖 6 中，阻抗峰值位于約 850 kHz 處，該頻率比第一個示例中的頻率高得多。

　　圖 6. 低電感直流母線的頻率曲線。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　減輕反共振效應(yīng)
　　根據(jù)決定反諧振頻率的三個關(guān)鍵因素，有一些處理反諧振引起的問題的策略：
　　將反諧振頻率移至更高頻率。這主要可以通過降低 LF 電容器的 ESL 和互連結(jié)構(gòu)中的任何寄生電感來實現(xiàn)。請記住，高頻電容器或緩沖器的較低電容值也會導(dǎo)致這種情況。該策略的目標(biāo)是確保反諧振不會受到紋波電流或具有較高功率水平的低次諧波的影響。
　　將反諧振頻率移至開關(guān)頻率以下。該策略的目標(biāo)還在于確保紋波電流不會激發(fā)反諧振。通常在低頻和高頻電容器之間插入一個額外的扼流圈，以將反諧振頻率移至這么遠。這顯著增加了互連結(jié)構(gòu)的電感。此外，大幅增加高頻電容器的電容也可能有用。
　　將系統(tǒng)的所有開關(guān)頻率及其諧波設(shè)置在臨界反諧振頻帶之外。必須注意直流鏈路中無源元件的容差和老化行為，因為它們的值可能會變化，從而直接影響反諧振頻率。有時，這種策略被證明是不可能的，例如，當(dāng)開關(guān)頻率在運行期間在很大范圍內(nèi)變化時，例如在諧振拓?fù)渲小?br>　　選擇性衰減反諧振阻抗峰值。該理論選項向電路添加了一個電阻元件，該電阻元件僅在相關(guān)頻率范圍內(nèi)有效，并且不會過度影響常規(guī)紋波電流。例如，這種機制可以利用互連結(jié)構(gòu)中的集膚效應(yīng)，因為其電阻隨頻率而增加。該策略與上述第一個策略相結(jié)合可能會很有前景。仍需要進一步的研究來證明這一點并提供實用的設(shè)計指導(dǎo)。
　　請記住，鋁電解電容器的 ESR 通常會隨著溫度的升高而顯著降低。因此，在 +25 °C 下完美工作的轉(zhuǎn)換器可能在更高溫度下表現(xiàn)出反諧振。
　　作為計量驗證的雙脈沖測試
　　通過雙脈沖測試，還可以直接從電壓波形確定反諧振振蕩。圖 7 顯示了帶有寄生元件的C HF /C LF結(jié)構(gòu)雙脈沖測試的等效電路。其中包括 C LF和 C HF的 ESL 、互連結(jié)構(gòu)的電感（L寄生）、C HF與器件之間的母線或 PCB 的寄生電感（L雜散連接）、漏極和源極的寄生電感器件的端子 (L D , L S )、續(xù)流二極管的寄生電容 (C DD )、感性負(fù)載的等效并聯(lián)電容 (C EPC）和儀表的寄生電感（L sense）。柵極環(huán)路包括柵極(L G )和源極端子(L S )的寄生電感。此外，還必須考慮MOSFET 中的寄生電容（C GD、C GS和 C DS ）。　　特別重要的是要注意，第二個脈沖關(guān)閉后測量仍在繼續(xù)。此處，兩個組件均關(guān)閉，但上部開關(guān)的體二極管仍在線圈電流的驅(qū)動下導(dǎo)通（圖 7 中的綠色箭頭）。因此，在此期間，直流母線電壓（加上體二極管幾乎恒定的壓降）在開關(guān)節(jié)點處也是可見的。這意味著即使在這種工作狀態(tài)下，也可以在開關(guān)節(jié)點處輕松檢測到電壓振蕩，尤其是 C HF和 C LF之間的電壓振蕩。在反諧振振蕩的情況下，高電流在C HF和C LF之間來回流動（圖7中的紅色箭頭）。

　　圖 7. 具有寄生元件以及續(xù)流電流（綠色箭頭）和反諧振電流（紅色箭頭）的雙脈沖測試裝置的等效電路圖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供　　盡管 CHF 在典型的反諧振頻率下具有較低的阻抗，但大的振蕩電流可能會導(dǎo)致該電容器兩端的電壓振蕩，這可以在開關(guān)節(jié)點處觀察到（圖 8）。

　　圖 8.  FF8MR12W2M1P_B11 雙脈沖測試（未優(yōu)化示例）；紫色部分表示開關(guān)節(jié)點的電壓以 400 kHz 左右的反諧振頻率振蕩。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　50 kW EV 充電器測試設(shè)置的結(jié)果　　圖 9 顯示了 50 kW EV 充電器測試裝置的電源轉(zhuǎn)換板，其中解決了反諧振問題。為此，使用 C HF值對母線（L寄生）進行了優(yōu)化，以減少環(huán)路中的振蕩電流。母線的多個并聯(lián)端子有助于減少路徑中的有效電感（L寄生）。了解該諧振電路的自然諧振頻率有助于設(shè)計人員選擇轉(zhuǎn)換器的正確開關(guān)頻率。應(yīng)避免通過開關(guān)頻率的諧波刺激自然諧振頻率。

　　圖 9. 用于直流電動汽車充電器的英飛凌電源轉(zhuǎn)換板上的板載 CHF 和多端子母線。圖片由博多電力系統(tǒng)提供　　波形圖（圖 10）顯示了設(shè)計優(yōu)化后的波形示例。開關(guān)節(jié)點的電壓為淺藍色曲線，在約 1 μs 的時間內(nèi)呈現(xiàn)出頻率約為 1 MHz 的反諧振振蕩。

　　圖 10. 使用 Infineon 優(yōu)化的 50 kW 功率轉(zhuǎn)換器測試設(shè)置進行 FF8MR12W2M1P_B11 雙脈沖測試。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]