現(xiàn)代電源技術(shù)中電容器的正確選用

現(xiàn)代電源技術(shù)中電容器的正確選用

電容器作為基本元件在電子線路中起著重要作用，在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，電容器主要用作旁
路耦合、電源濾波、隔直以及小信號中的振蕩、延時(shí)等。以上電路對電容器參數(shù)的主要要求
有：電容量；額定電壓；正切損耗；漏電流等，對其它參數(shù)沒有過多的要求。
隨著電子線路，特別是電力電子電路的發(fā)展對不同應(yīng)用場合的電容器提出了不同的特殊
要求。
1 濾波電容器
交流電（工頻或高頻）經(jīng)整流后需用電容器濾波使輸出電壓平滑，要求電容器容量大，
一般多采用鋁電解電容器。鋁電解電容器應(yīng)用時(shí)主要問題是溫度與壽命關(guān)系，如廉價(jià)型環(huán)境
溫度多為85℃，可在1000h 內(nèi)保證各性能參數(shù)，特別是電容量，超過1000h，各項(xiàng)性能指標(biāo)
將得不到保證，盡管在很多情況下還能用。如降低使用溫度可以延長壽命，基本遵循50℃
法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場合下，應(yīng)選用長壽命（如5000h 以上，甚至105
℃,5000h）電解電容器。一般體積小的電解電容器，其壽命相對較短。
用于DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開關(guān)變換器是以脈沖形式向電源汲取電
能，故濾波電容器中流過較大的高頻電流，當(dāng)電解電容器等效串聯(lián)電阻（ESR）較大時(shí)，將
產(chǎn)生較大損耗，導(dǎo)致電解電容器發(fā)熱。而低ESR 電解電容器則可明顯減小紋波（特別是高
頻紋波）電流產(chǎn)生的發(fā)熱。
用于開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz 甚至500kHz
時(shí)仍不呈現(xiàn)上升趨勢，見圖1。電解電容器ESR 較低，能有效地濾除開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高
頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz 后就開始呈現(xiàn)上升趨勢(見圖2)，用于開
關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，普通CDII 型中4700μF,16V 電解電
容器，用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF,16V 高頻電解電容器
的低，同時(shí)普通電解電容器溫升相對較高。當(dāng)負(fù)載為突變情況時(shí)，用普通電解電容器的瞬態(tài)
響應(yīng)遠(yuǎn)不如高頻電解電容器。
由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發(fā)揮作用，應(yīng)輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄
膜電容器，其主要優(yōu)點(diǎn)是：高頻特性好，ESR 低，如MMK5 型容量1μF 電容器，諧振頻率
達(dá)2MHz 以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠(yuǎn)低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高（可
達(dá)50MHz 以上），見圖3，這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應(yīng)或動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2 吸收與換相電容器
隨著柵控半導(dǎo)體器件的額定功率越做越大，開關(guān)速度越來越快，額定電壓越來越高，對
緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優(yōu)異的高頻特性是不夠的。
在大功率電力電子電路中，由于IGBT 的開關(guān)速度已小于1μs，要求吸收電路電容器上
的電壓變化速率dv/dt> V/μs 已是很正常的，有的要求 V/μs 甚至 V/μs。由電容器與電壓充

電時(shí)間的基本關(guān)系可知
如以1μF、 V/μs 計(jì)，則由式（1）可知其峰值電流將達(dá) A。即使較小的電容量如10nF，
以 V/μs 速率變化則峰值電流為100A。對于普通電容器，特別是普通金屬化電容器的
dv/dt<100V/μs，特殊金屬化電容器的dv/dt≤200V/μs，專用雙金屬化電容器小容量（小于10nF）
的dv/dt≤1500V/μs，較大容量（小于0.1μF)的則為600V/μs，在這種巨大且重復(fù)率很高的峰
值電流沖擊下是很難承受的。所以經(jīng)?？梢钥吹诫娏﹄娮与娐芬蛭针娙輵?yīng)用不當(dāng)造成電容
器擊穿或斷路，損壞電力電子電路的現(xiàn)象。
目前吸收電路專用電容器，即金屬箔電極可承受較大的峰值電流和有效值電流沖擊，如：
較小容量(10nF 以下)的可承受100000V/μs～455000V/μs 的電壓變化率、3700A 峰值電流和
達(dá)9A 有效值電流(如CDV30FH822J03)；較大容量(大于10nF，小于0.47μF)或較大尺寸的可
承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值電流的沖擊。
由此可見，盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容，應(yīng)用在吸收電路中將有不同的表
現(xiàn)，外形相近但規(guī)格不同在這里是絕對不能互換的。
電容器的尺寸將影響電容器的dv/dt 及峰值電流的耐量，一般而言，長度越大dv/dt 和
峰值電流則相對較小。
吸收電路中電容器的工作特點(diǎn)是高峰值電流占空比小，有效值電流不十分高，與這種電
路相似的還有晶閘管逆變器的換相電容器，盡管這種電容器要求的dv/dt 較吸收電容器小，
但峰值電流與有效值電流均較大，采用普通電容器在電流方面不能滿足要求。
在某些特殊應(yīng)用中要求儲能電容器反復(fù)急促放電，而且放電回路電阻極低、寄生電感很
小，在這種場合下只能將吸收電容并聯(lián)使用以保證長期使用的可靠性。
3 諧振電容器
諧振式變換器，如諧振式開關(guān)穩(wěn)壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器，工
作時(shí)往往流過很大電流。如并聯(lián)諧振式晶閘管中頻電源，流過諧振電容器的諧振電流為流過
晶閘管電流的10 倍甚至更高，因此必須選擇專用電容器，方能滿足要求。又如電子鎮(zhèn)流器
的諧振電容規(guī)格選擇不當(dāng)時(shí)，會出現(xiàn)電容上電壓雖沒達(dá)到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電
流而損壞的現(xiàn)象。
4 耐壓與壽命試驗(yàn)
電容器的額定電壓和擊穿電壓之間留有一個(gè)安全系數(shù)，如耐壓為400V 電解電容器，擊
穿電壓不低于450V，而薄膜電容器的擊穿電壓為額定電壓的1.5 倍至2 倍，因此不能說電
容器達(dá)到額定電壓就可能擊穿。
薄膜電容器的壽命試驗(yàn)是在其最高工作溫度下，施加1.5 倍額定電壓，保證500h 甚至

1000h 內(nèi)不損壞。電解電容器的壽命試驗(yàn)是在最高工作溫度及額定電壓條件下，在額定壽命
期內(nèi)主要參數(shù)符合規(guī)定要求。
電解電容器的壽命與電容器長期工作的環(huán)境溫度有直接關(guān)系，溫度越高，電容器的壽命
越短。普通的電解電容器在環(huán)境溫度為90℃時(shí)已經(jīng)損壞，如：B41303,B43303 等型號的電
解電容器。但是現(xiàn)在有很多種類的電解電容器的工作環(huán)境溫度已經(jīng)很高，如B43502 在環(huán)境
溫度為90℃，通過電解電容器的交流電流和額定脈沖電流的比為0.5 時(shí)，壽命仍然為10000h，
但是如果溫度上升到95℃時(shí)，電解電容器即已經(jīng)損壞。因此，在選擇電容器的時(shí)候，應(yīng)該
根據(jù)具體的環(huán)境溫度和其他的參數(shù)指標(biāo)來選定，如果忽略了環(huán)境溫度對電容器壽命的影響，
那么電源工作的可靠性、穩(wěn)定性將大大降低，甚至損壞設(shè)備和儀器。就一般情況而言，電解
電容器工作在環(huán)境溫度為80℃時(shí)，一般能達(dá)到10000h 壽命的要求。
另一方面，電解電容器的壽命還與電容器長時(shí)間工作的交流電流與額定脈沖電流（一般
是指在85℃的環(huán)境溫度下測試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時(shí)測試的數(shù)
據(jù)）的比值有關(guān)。一般說來，這個(gè)比值越大，電解電容器的壽命越短，當(dāng)流過電解電容器的
電流為額定電流的3.8 倍時(shí)，電解電容器一般都已經(jīng)損壞。所以，電解電容器有它的安全工
作區(qū)，對于一般應(yīng)用，當(dāng)交流電流與額定脈沖電流的比值在3.0 倍以下時(shí)，對于壽命的要求
已經(jīng)滿足。環(huán)境溫度和交流電流對電解電容器的影響如圖4 所示。
5 結(jié)語
綜上所述,在現(xiàn)代電源技術(shù)中，不同應(yīng)用場合需要不同性能的電容器，不能混用、濫用、
錯(cuò)用，以盡可能消除不應(yīng)出現(xiàn)的損壞，并保證產(chǎn)品性能。