現(xiàn)代電源技術(shù)中電容器的正確選用CorrectSelectionandApplicationoftheCapacitorsinModernPowerSupplyT

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 inmodernPST,emphatically discussed specific parameters demands of filtercapacitor and absorber capacitor.Pointed to take care of voltage rating and conditions oflife 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(xiàn)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(xiàn)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。

　　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)。

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>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(duì)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(zhuān)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(zhuān)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W(wǎng)PP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(mǎn)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(zhuān)用電容器，方能滿(mǎn)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。

　　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(lèi)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(mǎn)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。