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现代电源技术中电容器的正确选用
时间:2011-07-31 点击:2073 次

现代电源技术中电容器的正确选用

电容器作为基本元件在电子线路中起着重要作用,在传统的应用中,电容器主要用作旁
路耦合、电源滤波、隔直以及小信号中的振荡、延时等。以上电路对电容器参数的主要要求
有:电容量;额定电压;正切损耗;漏电流等,对其它参数没有过多的要求。
随着电子线路,特别是电力电子电路的发展对不同应用场合的电容器提出了不同的特殊
要求。
1滤波电容器
交流电(工频或高频)经整流后需用电容器滤波使输出电压平滑,要求电容器容量大,
一般多采用铝电解电容器。铝电解电容器应用时主要问题是温度与寿命关系,如廉价型环境
温度多为85℃,可在1000h 内保证各性能参数,特别是电容量,超过1000h,各项性能指标
将得不到保证,尽管在很多情况下还能用。如降低使用温度可以延长寿命,基本遵循50℃
法则。因此在很多要求高温和高可靠性场合下,应选用长寿命(如5000h 以上,甚至105
℃,5000h)电解电容器。一般体积小的电解电容器,其寿命相对较短。
用于DC/DC 开关稳压电源输入滤波电容器,因开关变换器是以脉冲形式向电源汲取电
能,故滤波电容器中流过较大的高频电流,当电解电容器等效串联电阻(ESR)较大时,将
产生较大损耗,导致电解电容器发热。而低ESR 电解电容器则可明显减小纹波(特别是高
频纹波)电流产生的发热。
用于开关稳压电源输出整流的电解电容器,要求其阻抗频率特性在300kHz 甚至500kHz
时仍不呈现上升趋势,见图1。电解电容器ESR 较低,能有效地滤除开关稳压电源中的高
频纹波和尖峰电压。而普通电解电容器在100kHz 后就开始呈现上升趋势(见图2),用于开
关电源输出整流滤波效果相对较差。笔者在实验中发现,普通CDII 型中4700μF,16V 电解电容器,用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比CD03HF 型4700μF,16V 高频电解电容器的低,同时普通电解电容器温升相对较高。当负载为突变情况时,用普通电解电容器的瞬态响应远不如高频电解电容器。由于铝电解电容器在高频段不能很好地发挥作用,应辅之以高频特性好的陶瓷或无感薄膜电容器,其主要优点是:高频特性好,ESR 低,如MMK5 型容量1μF 电容器,谐振频率达2MHz 以上,等效阻抗小于0.02Ω,远低于电解电容器,而且容量越小谐振频率越高(可达50MHz 以上),见图3,这样将得到很好的电源的输出频率响应或动态响应。
2 吸收与换相电容器
随着栅控半导体器件的额定功率越做越大,开关速度越来越快,额定电压越来越高,对
缓冲电路的电容器仅仅要求足够的耐压、容量及优异的高频特性是不够的。在大功率电力电子电路中,由于IGBT 的开关速度已小于1μs,要求吸收电路电容器上的电压变化速率dv/dt> V/μs 已是很正常的,有的要求 V/μs 甚至 V/μs。由电容器与电压充电时间的基本关系可知如以1μF、 V/μs 计,则由式(1)可知其峰值电流将达 A。即使较小的电容量如10nF,
以 V/μs 速率变化则峰值电流为100A。对于普通电容器,特别是普通金属化电容器的
dv/dt<100V/μs,特殊金属化电容器的dv/dt≤200V/μs,专用双金属化电容器小容量(小于10nF)的dv/dt≤1500V/μs,较大容量(小于0.1μF)的则为600V/μs,在这种巨大且重复率很高的峰值电流冲击下是很难承受的。所以经常可以看到电力电子电路因吸收电容应用不当造成电容器击穿或断路,损坏电力电子电路的现象。目前吸收电路专用电容器,即金属箔电极可承受较大的峰值电流和有效值电流冲击,如:较小容量(10nF 以下)的可承受100000V/μs~455000V/μs 的电压变化率、3700A 峰值电流和达9A 有效值电流(如CDV30FH822J03);较大容量(大于10nF,小于0.47μF)或较大尺寸的可承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值电流的冲击。由此可见,尽管同是无感电容、金属化和金属箔电容,应用在吸收电路中将有不同的表现,外形相近但规格不同在这里是绝对不能互换的。电容器的尺寸将影响电容器的dv/dt 及峰值电流的耐量,一般而言,长度越大dv/dt 和峰值电流则相对较小。
吸收电路中电容器的工作特点是高峰值电流占空比小,有效值电流不十分高,与这种电
路相似的还有晶闸管逆变器的换相电容器,尽管这种电容器要求的dv/dt 较吸收电容器小,
但峰值电流与有效值电流均较大,采用普通电容器在电流方面不能满足要求。在某些特殊应用中要求储能电容器反复急促放电,而且放电回路电阻极低、寄生电感很小,在这种场合下只能将吸收电容并联使用以保证长期使用的可靠性。
3 谐振电容器
谐振式变换器,如谐振式开关稳压电源及晶闸管中频电源谐振回路中的谐振电容器,工
作时往往流过很大电流。如并联谐振式晶闸管中频电源,流过谐振电容器的谐振电流为流过
晶闸管电流的10 倍甚至更高,因此必须选择专用电容器,方能满足要求。又如电子镇流器
的谐振电容规格选择不当时,会出现电容上电压虽没达到击穿电压但由于流过较大的谐振电
流而损坏的现象。
4 耐压与寿命试验
电容器的额定电压和击穿电压之间留有一个安全系数,如耐压为400V 电解电容器,击
穿电压不低于450V,而薄膜电容器的击穿电压为额定电压的1.5 倍至2 倍,因此不能说电
容器达到额定电压就可能击穿。薄膜电容器的寿命试验是在其最高工作温度下,施加1.5 倍额定电压,保证500h 甚至1000h 内不损坏。电解电容器的寿命试验是在最高工作温度及额定电压条件下,在额定寿命期内主要参数符合规定要求。电解电容器的寿命与电容器长期工作的环境温度有直接关系,温度越高,电容器的寿命越短。普通的电解电容器在环境温度为90℃时已经损坏,如:B41303,B43303 等型号的电解电容器。但是现在有很多种类的电解电容器的工作环境温度已经很高,如B43502 在环境温度为90℃,通过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5 时,寿命仍然为10000h,但是如果温度上升到95℃时,电解电容器即已经损坏。因此,在选择电容器的时候,应该根据具体的环境温度和其他的参数指标来选定,如果忽略了环境温度对电容器寿命的影响,那么电源工作的可靠性、稳定性将大大降低,甚至损坏设备和仪器。就一般情况而言,电解电容器工作在环境温度为80℃时,一般能达到10000h 寿命的要求。另一方面,电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流(一般是指在85℃的环境温度下测试值,但是有一些耐高温的电解电容器是在125℃时测试的数据)的比值有关。一般说来,这个比值越大,电解电容器的寿命越短,当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8 倍时,电解电容器一般都已经损坏。所以,电解电容器有它的安全工作区,对于一般应用,当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0 倍以下时,对于寿命的要求已经满足。环境温度和交流电流对电解电容器的影响如图4 所示。
5 结语
综上所述,在现代电源技术中,不同应用场合需要不同性能的电容器,不能混用、滥用、
错用,以尽可能消除不应出现的损坏,并保证产品性能。
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