干货-有关铝电解电容纹波电流计算方法以及电解电容发热原因

时间:2019-5-8 分享到:

本文主要介绍的是关于纹波电流以及铝电解电容纹波电流计算方法,并详细对铝电解电容进行了全面的阐述。更多关于电容参数计算以及方案,请咨询上海工品实业有限公司技术人员。

纹波电流

纹波电流或电压是指的电流中的高次谐波成分,会带来电流或电压幅值的变化,可能导致击穿,由于是交流成分,会在电容上发生耗散,如果电流的纹波成分过大,超过了电容的最大容许纹波电流,会导致电容烧毁。

额定纹波电流( IRAC )

额定纹波电流 IRAC 又称为最大允许纹波电流。其定义为:在最高工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流有效值。并且指定的纹波为标准频率(一般为 100Hz–120Hz )的正弦波。

基本含义

纹波电流在这里指的是流经电容器的交流电流的 RMS 值,其在电压上的表现为脉动或纹波电压。电容器最大允许纹波电流受环境温度、电容器表面温度(及散热面积)、损耗角度(或 ESR )以及交流频率参数的限制。温度是电解电容器件寿命的决定性因素,因此由纹波产生的热损耗将成为电容寿命的一个关键参考因数。

在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”,其实就是 ripple current,ripple voltage。 含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。 它们和ESR 之间的关系密切,可以用下面的式子表示:

Urms = Irms × R

式中,Urms 表示纹波电压

Irms 表示纹波电流

R 表示电容的 ESR

由上可见,当纹波电流增大的时候,即使在 ESR 保持不变的情况下,涟波电压也会成倍提高。换言之,当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大,这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后,由于电容内部的等效串连电阻(ESR)引起发热,从而影响到电容器的使用寿命。一般的,纹波电流与频率成正比,因此低频时纹波电流也比较低。

铝电解电容纹波电流计算方法

铝电解电容的在实际应用中的一个重要参数是纹波电流,此电流关系到电解电容的带载温升,在电容寿命计算时候,在不测量电解电容中心点温度的情况下,可以通过此纹波电流来估计电容的设计寿命,铝电解电容常被用在整流模块后以平稳电压。

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控制某一纹波电压所需的电容容值为:

负载功率(单位 W )

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注意:这是应用所需要的最小电容容值。此外,电容容值有误差,在工作寿命期内,容值会逐步降低,随着温度降低,容值也会降低。

必须知道主线及负载侧的纹波电流数据。可以首先计算出电容的充电时间。  是电网电流的频率。

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电容的放电时间则为:

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充电电流的峰值为

是纹波电压( Umax – Umin )

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则充电电流有效值:

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接下来计算放电电流峰值和有效值。

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最后计算得出:整流模块后纹波电流:

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纹波电流的换算方法可以这样:

假定电流在不同频率下的发热功耗相同,则有:

If12xESR f1= If22xESR f2

从而:If2=( ESR f1/ ESR f2)1/2x If1  这里的 (ESR f1/ ESR f2)1/2就是频率系数.
如果已知If1的大小,又因为ESR f1,ESR f2可以测试出来,因此If2的值就能计算出来.

铝电解电容纹波电流测试方法

1、一次侧Bulk Cap.纹波电流 

说明:一次侧Bulk Cap.纹波电流通常由基本频率(低频率)和高频(开关频率)电流构成,因此在计算时,要通过合成公式,利用频率系数计算出其在指定频率下的合成有效值。(如图1所示)

R/C(Ripple Current) = Lowf(Low Freq.Current)

一次侧Bulk Cap.是指:一次侧主电解电容;Lowf是指:低频纹波电流有效值

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2、二次侧Filter Cap.纹波电流 

说明:二次侧Filer Cap.纹波电流通常由高频电流构成。
R/C(Ripple Current) = Hif(High Freq. Current)
二次侧Filter Cap.是指二次侧滤波电解电容。

3.温度

Temperature Meas. = Cap. Case 实测值.———此处指电容壳温

铝电解电容纹波电流判定方法

1、R/C Stress與Cap. R/C Spec.(电容纹波规格值) 比对,计算降额比例;

2、依零件降额使用标准判定,R/C Stress是否符合设计及应用的要求。

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此电解电容规格值 : Ripple Current纹波电流=0.67Arms(120Hz/Max Temp.(105℃)

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电容发热的主要因素

纹波是导致电容自发热的原因之一,电容起着电荷库的作用,当电压增加时,它们被充电;电压降低时,它们向负载放电;它们实质上起着平滑信号的作用。当电容受到纹波电压非直流电压时,电容将经历变化的电压,并根据施加的电源,还可能有变化的电流,以及连续和间歇性的脉动功率。无论输入形式为何,电容电场经历的变化将导致介电材料中偶极子的振荡,从而产生热量。这一被称为自发热的反应行为,是介电性能成为重要指标的主要原因之一,因为任何寄生电阻(ESR)或电感(ESL)都将增加能耗。

理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻、电感,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不“完美”。一个不“完美”的电容其等效电路可看成由电阻、电容、电感组成,如下图为一个不“完美”的钽电容,其等效电路由电阻、电容、电感、二极管串并联电路组成。

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AVX TAJ系列规格100uF/16V钽电容器详细等效电路图

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容量与频率关系曲线

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DF与频率关系曲线

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ESR、Z与频率关系曲线

由上图可知,该钽电容器SRF(自谐振频率)在500KHz左右,该点Z值最小,谐振频率点之前电容呈容性,谐振点之后电容呈感性,也就是说在频率很高,超过电容自谐振频率的情况下,电容就不在是”电容”了 ,此时的功率损耗主要由电容的寄生电感引起,P耗=I2rms·2πf·L,所以高频下,低ESR、ESL电容的发热少。

电容电介质很薄,就电容的总质量来说,它可能仅占一小部分,所以在评估波纹时,也需考虑其结构中所用的其它材料。例如,无极性电容(如陶瓷或薄膜电容)中的电容板是金属的;而极性电容(如钽或铝),具有一个金属阳极(而在铌氧化物技术中,阳极是导电氧化物)和一个电解质阴极(如二氧化锰或导电聚合物)。在内外部连接或引脚上,还有各种导电触点,包括金属(如:铜、镍、银钯和锡等)和导电环氧树脂等都会增加阻抗成份,当AC信号或电流通过这些材料(材料阻抗成份即电容器等效串联电阻ESR)时,它们都会有一定程度的发热。

要了解这些因素如何发挥作用,我们以使用固体钽电容器在直流电源输出级平滑残留AC纹波电流为例。首先,由于它是有极性电容器,所以需要一个正电压偏置,以防止AC分量引起反向偏压情况的发生。该偏置电压通常是电源的额定输出电压。

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纹波电压叠加在偏置电压上

Voltage:电压 Time:时间

钽电容纹波发热是由于通过钽电容的纹波电流在钽电容等效串联电阻上生产了功率损耗。我们看由在给定频率下电流的纹波值在钽电容等效串联电阻产生的功耗(等于I2R,其中“I”是电流均方根[rms])。

P耗=I2rms·ESR(由纹波电流引起的功耗)

Irms:一定频率下的纹波电流,ESR:电容等效串联电阻。

我们以考察一个正弦纹波电流及其RMS等效值入手。如果在某一频率,我们使一个1A Irms的电流流经一个100mΩESR的电容,其产生的功耗是100mW。若连续供电,基于电容元件结构和封装材料的热容量、以及向周围散热所采取的所有措施(例如:对流、传导和辐射的组合),该电流将使电容在内部发热,直到它与周围环境达到平衡。

电容发热的次要因素

另外在我们考虑纹波前,我们必须注意由施加的直流偏压产生的发热。电容不是理想器件,一种寄生现象是跨接介电材料的并联电阻(RLi),该电阻将导致漏电流的发生。这个小DC电流会导致发热,但是不像其它典型应用的纹波状态,该发热通常可忽略不计。电容漏电流引起的功耗可由下式计算:

P耗=I2DCL·R(由漏电流引起的功耗)

IDCL:指钽电容漏电流, R:是跨接介电材料的并联电阻(近似于钽电容绝缘电阻)

如图1中100uF/16V钽电容等效电路的绝缘电阻RLi等于1.1MΩ,在室温下,其IDCL不超过10uA(100uA@85℃),所以其最大功耗约为0.11mW,在这种情况,纹波发热是DC漏电流发热的1000倍,因此后者(如前所述)可以忽略不计。

当工作电压超过电容最大承受电压、极性电容反向、电容器介质绝缘性能下降等情况使用,此时电容发热主要由漏电流引起,如下图以电解电容为例说明。

电解电容器为极性电容,因电解电容器介质氧化膜具有单向导电性,下图为电解电容介质氧化膜耐压与漏电流伏安特性曲线图,与二极管伏安特性图类似。

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电解电容器介质氧化膜V-I特性曲线图

图6为电解电容器介质氧化膜V-I特性曲线图,决定了电解电容器单向导电性,是有极性电解电容器。由于阴极箔表面有自然氧化的氧化膜,可耐极低的反向电压。给电解电容器加反向电压,会造成电解电容器阳极表面介质氧化膜击穿、破损,且在反向电流作用下破损的介质氧化膜无法修复,导致介质氧化膜绝缘性能下降,电解电容器内部漏电流DCL会急剧增大,内部漏电流DCL通过绝缘电阻会产生功率损耗,最终导致电解电容器发热。可以说漏电流是衡量电容器介质绝缘性能好坏的标志,对于一些精密电路和漏电流敏感电路使用电容器时,检测电容的漏电流或绝缘电阻是不可忽略的。

结语

简而言之,引起电解电容发热的主要因素是叠加在直流上的纹波,通俗点就是耐压不够或者内部漏电。

关于铝波电流以及铝电解电容纹波电流相关介绍就到这了,希望本文能对你有所帮助。

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