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

Correct Selection and Application of the Capacitors

in Modern Power Supply Technology(PST)

摘要：分析現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展對(duì)電容器特殊參數(shù)的要求，著重討論濾波電容器、吸收電容

器，指出在使用時(shí)應(yīng)注意額定電壓與壽命試驗(yàn)的條件。

Abstract: Analyzed the demands of capacitor specific parameters in modern PST,emphatically discussed specific parameters demands of filter capacitor and absorber capacitor.Pointed to take care of voltage rating and conditions of life test in use.

關(guān)鍵詞：電容器等效串聯(lián)電阻阻抗頻率特性dv/dt

Keywords:Capacitor， Equivalent series resistance， Impedance－ frequency performance， dv/dt

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(hào)中的振蕩、延時(shí)等。以上電路對(duì)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(duì)其它參數(shù)沒(méi)有過(guò)多的要求。

　　隨著電子線路，特別是電力電子電路的發(fā)展對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)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(guò)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(zhǎng)壽命，基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場(chǎng)合下，應(yīng)選用長(zhǎng)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(duì)較短。

圖1高頻電解電容器的阻抗頻率特性

圖2普通電解電容器的阻抗頻率特性

　　用于DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開(kāi)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(guò)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(kāi)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(shì)，見(jiàn)圖1。電解電容器ESR較低，能有效地濾除開(kāi)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(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)，用于開(kāi)關(guān)電源輸出整流濾波效果相對(duì)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(kāi)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

表1WPP型電容器脈沖容量

低，同時(shí)普通電解電容器溫升相對(duì)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(wú)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(jiàn)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)。

圖3MMK5型電容器的阻抗頻率特性

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(kāi)關(guān)速度越來(lái)越快，額定電壓越來(lái)越高，對(duì)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(kāi)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>103V/μs已是很正常的，有的要求104V/μs甚至105V/μs。由電容器與電壓充電時(shí)間的基本關(guān)系可知

i=C·dv/dt(1)

　　如以1μF、103V/μs計(jì)，則由式（1）可知其峰值電流將達(dá)103A。即使較小的電容量如10nF，以104V/μs速率變化則峰值電流為100A。對(duì)于普通電容器，特別是普通金屬化電容器的dv/dt<100V/μ s， 特 殊 金 屬 化 電 容 器 的 dv/dt≤ 200V/μ s， 專 用 雙 金 屬 化 電 容 器 小 容 量 （ 小 于 10nF） 的 dv/dt≤ 1 500V/μ s， 較 大 容 量 （ 小 于 0.1μ F)的 則 為 600V/μ s， 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) 常 可 以 看 到 電 力 電 子 電 路 因 吸 收 電 容 應(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(jiàn)，盡管同是無(wú)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(duì)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(zhǎng)度越大dv/dt和峰值電流則相對(duì)較小，以CDE公司WPP型電容為例，如表1所示。

　　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(chǔ)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(chǎng)合下只能將吸收電容并聯(lián)使用以保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

3諧振電容器

　　諧振式變換器，如諧振式開(kāi)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(guò)很大電流。如并聯(lián)諧振式晶閘管中頻電源，流過(guò)諧振電容器的諧振電流為流過(guò)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(huì)出現(xiàn)電容上電壓雖沒(méi)達(dá)到擊穿電壓但由于流過(guò)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(shuō)電容器達(dá)到額定電壓就可能擊穿。

圖4環(huán)境溫度、交流電流對(duì)電容器壽命的影響

　　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(zhǎng)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(hào)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(guò)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(lái)選定，如果忽略了環(huán)境溫度對(duì)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(zhǎng)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(cè)試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時(shí)測(cè)試的數(shù)據(jù)）的比值有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，這個(gè)比值越大，電解電容器的壽命越短，當(dāng)流過(guò)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(duì)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(duì)于壽命的要求已經(jīng)滿足。環(huán)境溫度和交流電流對(duì)電解電容器的影響如圖4所示。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在現(xiàn)代電源技術(shù)中，不同應(yīng)用場(chǎng)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。