低電感電解電容器尺寸進(jìn)一步縮小，同時(shí)提高工業(yè)自動(dòng)化性能

作者：KEMET公司鋁電解產(chǎn)品經(jīng)理SuzanaJankuloska

在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等新興行業(yè)趨勢的推動(dòng)下，制造和裝配過程自動(dòng)化繼續(xù)得到越來越普遍地采納，而低電感電解電容器有助于在機(jī)器人和其他工業(yè)設(shè)備中降低成本，提升性能。

聚丙烯薄膜和電解電容器都適用于大功率工業(yè)應(yīng)用中的大容量平滑和去耦等任務(wù)，這些包括開關(guān)模式電源的輸出以及穩(wěn)定變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和固定頻率發(fā)電機(jī)的直流鏈路等。相對(duì)于其他電容器技術(shù)，電解電容器在小尺寸下仍可提供較高電容，且成本較低，并且通常在高達(dá)約600V的應(yīng)用中更受歡迎。

每個(gè)真正的電容器都會(huì)有相應(yīng)的電感，當(dāng)高頻紋波電流通過器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。專為低寄生電感而設(shè)計(jì)的電容器可以減小這些電壓峰值的幅度，從而允許設(shè)計(jì)人員使用較低電壓等級(jí)的功率半導(dǎo)體器件。此外，采用低電感器件還可以減少每組所需的電容器數(shù)量，從而有助于降低總體成本，并減小尺寸和重量。

電容器的寄生電感

一個(gè)理想電容器能夠?qū)⑺写鎯?chǔ)的能量瞬間傳輸?shù)截?fù)載，而實(shí)際應(yīng)用中電容器則不同，由于具有不想要的寄生元件，而這些元件可以視為與電容串聯(lián)的等效電感和電阻（ESL和ESR）。不需要的電感會(huì)造成包括導(dǎo)致感應(yīng)電壓尖峰等影響，可能會(huì)損壞連接到電路的敏感元件。此外，雜散電感和器件電容之間的相互作用也會(huì)導(dǎo)致噪聲，從而影響電路穩(wěn)定性和功率質(zhì)量。

一般來說，電感傾向于阻礙電流的變化，其影響的大小取決于頻率。容抗隨頻率升高降低，而感抗則隨頻率升高而趨于增大。這兩種電抗在電容器的自諧振頻率處變得大小相等，但相位相反，產(chǎn)生抵消效應(yīng)，使總電抗為零，電容器的阻抗完全由ESR引起：

在自諧振頻率以下，該元件表現(xiàn)為一個(gè)電容器，并且阻抗隨著頻率的增加而趨于減小。隨著頻率的增加，阻抗特性開始偏離并在自諧振頻率處達(dá)到最小值。高于該頻率，電感特性占主導(dǎo)地位，阻抗增加。降低電容器的ESL會(huì)提高自諧振頻率。

低電感電容器需求

大容量電容（bulkcapacitance）是能夠從低電感電解電容器中受益的一個(gè)應(yīng)用，它通常會(huì)受到高頻開關(guān)的影響。此外，工業(yè)逆變器驅(qū)動(dòng)等直流鏈路應(yīng)用需要低ESL電容器，以最大限度地減少自發(fā)熱，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)功率器件的保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)電解直流鏈路電容器的ESL以及相關(guān)連接、電纜和其它元器件一起產(chǎn)生電壓尖峰，需要在每個(gè)逆變器相橋臂（phaseleg）上放置一個(gè)緩沖器。降低電容器本身的ESL可以使總體電感降低，甚至達(dá)到可以完全消除每個(gè)逆變器相橋臂緩沖電路的程度。

內(nèi)部電容設(shè)計(jì)

影響較大型螺釘端子電解電容器ESL的主要內(nèi)部元件包括板接端子（deckterminal）、內(nèi)部連接片和繞組，如圖1所示。通過優(yōu)化內(nèi)部布局，可以有效降低ESL，消除電容器電流產(chǎn)生的所有磁場，這可以通過諸如減小繞組元件和端子之間的距離，以及減小接線片之間的距離等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖1比較了標(biāo)準(zhǔn)電容器與低電感型號(hào)的內(nèi)部布局，說明了重新設(shè)計(jì)這些特性如何將電感降低多達(dá)40%。

圖1：影響電容器電感的因素，以及在高壓鋁電解電容螺絲端子中將ESL降低多達(dá)40%的效果。

優(yōu)化端子設(shè)計(jì)

如圖2所示，減小端子之間的距離會(huì)產(chǎn)生電感消除效應(yīng)。此外，也需要降低端子的高度以縮短總導(dǎo)體長度。端子下方若有較大表面積，能夠允許內(nèi)部連接片的間距更小，以最大限度地改善電感消除效果。這種設(shè)計(jì)還可利用多個(gè)并聯(lián)的接線片。

圖2：降低端子高度并使其間距更近，以及帶來的端蓋設(shè)計(jì)相關(guān)變化。

低電感電容器進(jìn)展

降低整個(gè)電路的電感可以降低電源線上電壓尖峰幅度（參見圖3），而電解電容器是其中一個(gè)影響因素。從圖3可見，由陡峭邊緣脈沖引起的峰值降低最為顯著。降低電力線上的峰值電壓具有多種優(yōu)勢，其中包括允許設(shè)計(jì)人員采用較低額定電壓的功率半導(dǎo)體器件，從而能夠降低成本以及提高功率密度。此外，電容器組的構(gòu)建可以使用數(shù)量更少的電容器來實(shí)現(xiàn)相同的性能，從而降低變頻器的成本、重量以及對(duì)空間的要求。

圖3：電壓瞬態(tài)示例，這可以通過選擇更好的電容器來緩解瞬態(tài)影響（使用具有更好ESL特性的元件）。

結(jié)論

降低電源電容器的ESL有助于減少工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、電源管理和智能工廠設(shè)備等應(yīng)用的物料清單。由于較低的ESL會(huì)提高電容器的自諧振頻率，從而能夠在更高開關(guān)頻率的電路中使用，并可以降低峰值電壓尖峰，同時(shí)允許使用額定值較低的功率半導(dǎo)體器件。通過幫助降低噪聲，較低的ESL也有助于提高開關(guān)模式電源輸出的功率質(zhì)量。

低ESL電解電容器體現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)創(chuàng)新，其中包括減少互連長度，利用電感消除技術(shù)等等。在較高電壓下，ESL降低的比例可實(shí)現(xiàn)最大化，目前測量到的電容器ESL改善可高達(dá)40%。

審核編輯 黃宇