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电力电子电路与电容器 电力电子电路中电容器的作用 整流滤波 平滑 直流支撑与直流链电源旁路缓冲与箝位LC谐振高频整流滤波电源电磁干扰的抑制脉冲放电储能耦合电容器 电路电子电路对电容器的要求 足够的直流或交流额定电压足够的连续电流或脉冲电流承受能力足够的电容量足够的介电强度足够的浪涌电压的耐受程度满足需要的频率特性尽可能低的ESR满足要求的寿命 作用与性能要求 整流滤波电容器 作用 将整流后的脉动交流电平滑为平滑的直流电 性能要求 滤波电容器将流过比较大的纹波电流 对于电容输入式滤波尤为明显 输入整流滤波电容器 1 平滑整流输出电压 整流滤波 2 吸收工频纹波电流和逆变器的开关成份电流 3 工频整流滤波需要滤波电容器具有很大的电容量 因此 多数情况下只能选用电解电容器 单相整流滤波对电容器电容量的要求 对于一般的开关功率变换器对整流输出电压纹波电压要求电容量 220V交流输入条件下 需要滤波电容器为1 F W 85 264V交流输入条件下 需要滤波电容器为3 F W 单相整流滤波对电容器耐压的要求 耐压要求 一般情况下 选额定电压400VDC带有PFC功能的情况下 选额定电压450VDC 为什么PFC要用450V耐压要求 一般PFC输出电压为380 420V低于耐压400V铝电解电容器的440 450V浪涌电压原因 漏电流随电压升高 特别是在高温下漏电流急剧增加寿命急剧缩短 单相整流滤波对电容器的要求 单相整流滤波对电容器的要求 单相整流滤波对电容器的要求 滤波电容器吸收的纹波电流 对于电容输入式滤波 滤波电容器吸收的纹波电流有效值大约为整流输出电流平均值的2 3倍 大约为15 20mA W 不同的电路拓扑所产生的开关频率的纹波电流是不一样的 反激式开关电源约为12mA W 单管正激式开关电源约为10mA W 桥式 推挽式开关电源约为7mA W 电解电容器能够承受的纹波电流 一个400V 100 F爪式引脚电解电容器允许流过的纹波电流在0 7A左右 其额定纹波电流承受值仅能满足60W以下的开关电源的滤波要求 一个400V 470 F爪式引脚电解电容器允许流过的纹波电流在1 7A左右 仅能满足150W以下的开关电源的滤波要求 按1 F W的选择将不能满足电容器所能承受的纹波电流要求 至少要达到3 F W 影响电解电容器寿命的因素 环境温度 温度每上升8 10摄氏度寿命减半 纹波电流在ESR上产生损耗转化为热 使电解电容器内部温度升高 电容器被施加过高的电压导致漏电流过大而导致的损耗产生的发热 电解电容器温度 纹波电流与寿命的关系 电解电容器温度 纹波电流与寿命的关系解析 不可逾越的极限区域纹波电流过大将导致寿命的缩短降低环境温度可以延长寿命温度升高将导致漏电流的上升 400V 100 F典型电解电容器的参数 额定纹波电流 约0 7A ESR 约1 5 2欧姆 在额定纹波电流时 所产生的损耗接近1W 热阻 在自然对流状态下大约为每瓦上升25 30摄氏度 其中外可到环境的热阻占整个热阻的3 4 4 5 很显然 电解电容器的散热能力非常差 电解电容器损耗的减小 电解电容器的电容量增长速度高于ESR下降速度 因此多只电解电容器并联有利于ESR的减小 采用电感输入式滤波方式可以大大降低整流滤波的纹波电流 选用开关纹波电流低的开关电源电路拓扑可以有效地降低开关电源所产生的纹波电流 电解电容器串联时需要采取均压措施 半桥变换器可以使串联的电容器自动均压 单端变换器 全桥变换器 推挽变换器中的串联电容器必须采用均压措施 温度对电解电容器的影响 电解电容器的纹波电流随温度上升而降低电解电容器的ESR随温度的上升而降低 零下20摄氏度时的ESR是常温的10倍或更高电解电容器的漏电流随温度的上升而增加电解电容器的寿命虽温度的上升而减少 即使在没有加电或存储状态 纹波电流对电解电容器的影响 额定电流以下的纹波电流对电解电容器的影响比较小过大的纹波电流将导致电解电容器寿命急剧缩短 电解电容器的赋能 电解电容器出厂前或存储时间过长需要赋能 以修复电解电容器的氧化铝介质膜简单的方法是 电解电容器串联一个适当的电阻 逐渐增加施加的电压 在施加电压达到额定电压一半时 维持数小时 在逐渐加到额定电压 维持数小时至两天 购买电解电容器需要注意的问题 电子市场的电解电容器可能有以下嫌疑 套膜电容器偷电压问题漏电流问题为确保电解电容器的质量 电解电容器应到正牌的生产厂商购买 测试铝电解电容器耐压的简单方法 可能性 铝电解电容器的介质膜是通过阳极氧化方式获得 因此 短时间的小电流 击穿 不会损坏铝电解电容器基本方法 将铝电解电容器串联一10k电阻 缓缓增加所施加的电压 保持充电电流在1mA以下 对应电阻上的电压低于10V 直到即使不继续增加所施加的电压电流仍不降低时对应的电压就是电解电容器的击穿电压 这个电压的90 就是电解电容器的额定电压这种方法只适用于铝电解电容器 直流支撑与直流链 作用 为后面的逆变器提供平滑稳定的直流电压 即支撑住直流电压要求 需要足够的电容量需要尽可能低的ESR和ESL需要良好的频率特性 电源旁路 作用吸收逆变器产生的纹波电流 平缓由逆变器的开关过程造成的电压尖峰要求 电容器需要承受比较大的纹波电流电容器需要尽可能低的ESR以及ESL不一定是非常大的电容量 缓冲与箝位 LC谐振 作用 与电感形成串连谐振或并联谐振工作状态要求 足够的交流承受电压足够的交流承受电流满足频率要求 高频整流滤波 作用 滤除高频整流后的高频纹波电流 平滑高频整流输出电压要求 尽可能低的ESR尽可能低的ESL比较大的纹波电流承受能力 电源电磁干扰的抑制 作用 有效的抑制来自电源或负载的电磁干扰的传导要求 应承受电气安全规则的浪涌电压 过电压的冲击具有良好的ESR ESL 比较大的电流承受能力 脉冲放电 主要应用 激光器 闪光灯 电火花加工 安全气囊 除颤要求 足够的储能 强大的放电能力 储能 主要应用 电动汽车与混合动力汽车动力系统的启动动力系统的助力 耦合电容器 GTO的缓冲与箝位 作用与要求 耐压 dv dt 峰值电流 有效值电流的承受能力 晶闸管换相与缓冲电路 作用与要求 耐压 dv dt 峰值电流 有效值电流的承受能力 电源滤波器中的电容器的技术要求 电源滤波器中的电容器应能有效的滤除开关电源对电网的电磁干扰 用能承受来自电网的各种电压冲击 电容器自身的安全性 电路的电气隔离的安全性 浪涌电压的耐受程度 Y1 Y2电容器要承受8kV 5kV的峰值脉冲电压冲击 X1 X2电容器分别要承受4kV 2 5kV的峰值脉冲电压冲击 峰值脉冲电压测试波形 耐电压测试 X1 X2 X3 额定电压 500V 直流试验4 3UR dc 交流试验2UR 1500V ac 最小值为2000V ac YI Y2 Y3 额定电压 250 150V 250V 150V直流试验电压 4000V dc 1500V dc 900V dc 交流试验 4000V ac 2UR 1500V ac 或最小值为2000V ac 4900V ac 测试波形 几种典型的X2 Y2电容器的dv dt能力 X2抑制电源电磁干扰电容器电容量0 47 F dv dt 400V s 0 22 F dv dt 600V s Y2抑制电源电磁干扰电容器电容量0 047 F dv dt 1000V s 0 022 F dv dt 1400V s 0 01 F dv dt 1400V s X电容器 Y电容器是性能极好的电容器 普通电容器是否可以替代安规电容器 不可以 理由 耐电压测试不可能通过 普通电容器的耐电压仅仅是额定电压的1 5 2倍 三 缓冲电容器与谐振电容器 特点 可能承受很高的dv dt 如每秒数百伏的电压变化率 可能承受很高的峰值电流或均方根值电流 ESR应尽可能的低 频率可能很高 其中的电压和电流均为有效值 一般电容器的参数 一般的薄膜电容器的额定dv dt约为5V s 为尽可能的减小体积 一般的薄膜电容器可以承受的峰值电流和均方根值电流比较小 一般的薄膜电容器的ESR不是很低 以上特性主要表现在用于缓冲 谐振作用时的发热现象 一般的解决方法 采用聚丙烯电容器 聚丙烯介质薄膜电容器的金属膜比较厚 可以承受比较大的电流 采用金属箔电容器 选用高dv dt和高均方根值电流的电容器 即缓冲或谐振专用电容器 四 耦合电容器 足够的耐压尽可能低的漏电流稳定的电容量低的损耗因数 五 输出整流滤波电容器 对输出滤波电容器的基本要求 1 在不太高的开关频率时 为了滤除开关频率下的纹波电压 纹波电流 需要考虑足够的电容量 这时只能选择电解电容器 2 为了滤除更高频率的纹波电压 纹波电流 要求输出整流滤波电容器应具有尽可能地的ESR ESL 常规电解电容器存在的问题 低ESR铝电解电容器的提出 常规铝电解电容器的ESR太高 以1000 F 16V铝电解电容器为例 其ESR大约为0 25 在50kHz时的容抗为3 18m 远低于ESR值 从滤除交流成分角度考虑 电解电容器已经成为 电阻 决定滤波效果将不再是电容量而是ESR 针对上面问题 低ESR铝电解电容器和钽电解电容器问世 低ESR铝电解电容器 低ESR铝电解电容器的ESR可以比常规铝电解电容器低一个数量级 因而滤波效果可以改善一个数量级 低ESR铝电解电容器同样存在寿命问题特别是高温条件下寿命更短的问题 铝电解电容器小结 作为开关电源的输出整流滤波电容器 电容量往往是首要的选择 铝电解电容器的电容量完全可以满足要求 而ESR则相对比较高 可以通过多只并联的方法降低ESR 也可以选择更大的电容量来降低ESR 对于开关电源的输出整流滤波来说 铝电解电容器的应用实在是无奈的选择 铝电解电容器的失效 电解液干涸漏电流过大击穿安全阀泄压 钽电解电容器 电解电容器中的另外一种是钽电解电容器 由于二氧化锰的电导率比电解液高一个数量级左右 钽电解电容器的ESR明显低于铝电解电容器 钽电解电容器的低温特性远远优于铝电解电容器 多阳极钽电解电容器具有更低的ESR 多阳极钽电解电容器的ESR可以是单阳极的钽电解电容器的1 3 应用钽电解电容器时需要注意的问题 严禁过电压 钽电解电容器的介质遭遇过电压时将被击穿 这一点是不同于铝电解电容器的 高温时工作电压必须降额 钽电解电容器的耐压随温度上升而降低 注意事项 严禁撞击严禁反极性 钽电解电容器的应用也是一种无奈 不同电解电容器滤波效果的比较 测试电路 测试结果 1 20摄氏度的测试结果 1 20摄氏度的测试结果 2 70摄氏度的测试结果 1 70摄氏度的测试结果 2 直流输入的旁路效果测试电路 无旁路电容器的测试结果 不同电容器在不同温度下的测试结果 多层陶瓷电容器的问世改变了输出整流滤波的效果 陶瓷电容器 陶瓷电容器的特点 体积小 电容量大 可以在1206的封装中得到100 F的电容量 具有极低的ESR 可以低达10m 以下 允许比较高的纹波电流 RSL低 陶瓷电容器的ESR 以1206封装的X7R介质2 2 F陶瓷电容器为例 ESR不高于30m 在温升40摄氏度的条件下 允许流过2 23A纹波电流 RSL约为3nH 多只并联可以得到更低的ESR 陶瓷电容器需要注意的问题 介质材料对性能的影响电容量与温度的关系电容量与电压的关系电容量的衰减 Y5V介质材料的性能 Y5V介质材料的陶瓷电容器电容量最高 但是受温度 直流偏置电压影响最大 电容量的衰减也最大 Y5V介质材料陶瓷电容器的温度偏置电压与电容量的关系 X7R介质材料陶瓷电容器的温度偏置电压与电容量的关系 Y5V介质电容器的电容量与温度的关系 Y5V介质电容器的电容量的温度很差 X7R介质电容器的电容量与温度的关系 X7R介质电容器的电容量的温度特性相对好一些 X7R陶瓷电容器电容量的衰减 高k值陶瓷电容器的电容量随置放时间的增长有所下降 经过高温后 介质的居里温度以上 如用电烙铁重新焊一下 电容量可以恢复 陶瓷电容器的失效 断裂 产生的原因主要 碰撞 如跌落 外界应力 焊在电路板上的陶瓷电容器在电路板弯曲时可能会断裂 电路板的膨胀系数与陶瓷电容器的膨胀系数相差很大时 可能会因为温度变换太大而断裂 这种现象在大尺寸陶瓷电容器中尤为明显 六 旁路电容器 旁路电容器的作用 降低直流母线阻抗 如DC DC变换器的电源输入旁路电容器 特点 需要有效的吸收由变换器产生的纹波电流 以稳定直流母线电压 辅助滤波电容器 克服滤波电容器在ESR方面的不