【自动化】电容元件应用基础研究

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从信号中去掉某一频段的信号，可以使用旁路电容电路，根据所去掉信号频率不同，有全频域（所有交流信号）旁路电容电路和高频旁路电容电路。补偿电容用在补偿电路中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电路中，使用这种低频补偿电容电路，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电路。负载电容是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率的有效外界电容。负载电容常用的标准值有16PF、20PF、30PF、50PF和100PF。负载电容可以根据具体情况作适当的调整，通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值。启动电容串接在单相电动机的副绕组上，为电动机提供启动移相交流电压，在电动机正常运转后与副绕组断开。运转电容与单相电动机的副绕组串联，为电动机副绕组提供移相交流电流。在电动机正常运行时，与副绕组保持串接。表11部分电容特点及应用场合电容器名称代号电容量大小额定电压主要特点应用场合聚酯（涤纶）电容CL40P463630V小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差对稳定性和损耗要求不高的低频电路聚苯乙烯电容CB10P1100V30KV稳定，低损耗，体积较大对稳定性和损耗要求较高的电路聚丙烯电容CBB1000P10632000V性能与聚苯相似但体积小，稳定代替大部分聚苯或云母电容，用性略差于要求较高的电路云母电容CY10P01100V7KV价格较高，但精度、温度特性、耐热性、寿命等均较好高频振荡，脉冲等对可靠性和稳定性较高的电子装置高频瓷介电容CC16800P63500V高频损耗小，稳定性好高频电路低频瓷介电容CT10P4750V100V体积小，价廉，损耗大，稳定性差要求不高的低频电路玻璃釉电容CI10P0163400V稳定性较好，损耗小，耐高温（200度）脉冲、耦合、旁路等电路铝电解电容CD0471000063450V体积小，容量大，损耗大，漏电大，有极性，安装时要注意电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等钽电解电容CA01100063125V损耗、漏电小于铝电解电容在要求高的电路中代替铝电解电容14主要研究内容本文主要研究电容以及其应用，通过不同的模型建立来仿真，最后得到电容选取的结论。首先第一章在绪论中介绍关于电容的构成发展情况和电容的一些基本知识；第二章通过建立电容等效模型和单相不可控整流电路模型来了解整流滤波电容的工作情况并给出电容选取；第三章建立BUCK和BOOST电路模型来分析计算电源滤波电容的工作情况和选型，介绍储能电容的电能储存公式以及粗略的估算方法；最后第四章通过MOSFET和IGBT来了解功率管吸收电路中电容模型以及电容的选择。第2章整流滤波电容的建模仿真本章主要是了解电容模型，知道等效模型结构和组成部分，通过对单相不可控整流电路的分析研究来计算整流滤波电容，最后通过MATLAB建模仿真验证推论。21电容建模与仿真211电容模型如图21所示，在交流电作用下电容器等效模型由等效串联电阻RESR、等效电感LESL和电容C组成。图21电容等效模型在正弦交流电路中，电容元件在交流电压作用下流过的电流21DQ/DTCDU/DT设电压则22T2式中表明交流电路中，电压相位角滞后于电流/2，电压和电流在相位上市正交的，可推导出23112电容通常存在等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗ZC241C其中2一个电容器的谐振频率FO可以从它自身的电容量C和等效串联电阻得到，即2512当电容器工作频率在FO以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，因为高频作用下电容容抗很小，电感感抗很大。即262当电容器工作频率在FO以下时，其阻抗随频率的上升而下降，因为低频作用下电容表现出较大容抗，电感表现出很小感抗。即2712当电容器工作频率接近FO时，电容阻抗等于等效串联电阻R。如图22所示图22不同频率下电容等效阻抗212MATLAB仿真如图23所示，在MATLAB/SIMULINK中搭建电路模型，直流电源设置为100V，负载为电阻R1，RLC为等效电容模型。由于得不到频率连续变化的交流电，可以通过改变功率管控制信号频率来达到逆变效果。利用三角波和斜线信号比较得到连续可变频率的控制信号，通过加倍减一得到交流信号。利用电路测量电压和电流比值的波形并观察波形变化。下图中，图24、图25、图26分别为设置改变参数后的波形，由于电路中存在纯阻性负载，这里就不再改变电阻大小。如要求输出200W，电压100V，频率从0开始变化想在50HZ达到电流最大，由此计算得出阻抗最小Z50，则LC0004S。其中图24中R150，C0。图25中为电容等效模型的等效阻抗，R50，损耗角的正切值TAN大的电容（L004H,C01F，TAN01）。图26中电容选择损耗角的正切值TAN小的电容（L004H,C01F，TAN0001）。图23MATLAB/SIMULINK中搭建的模型图24R50，C0时电压电流波形通过对比图24和图25图26波形发现，在纯阻性负载中电压和电流相位同步，由图可得出两种电容得到的阻抗波形基本相同，联系到实际，根据附录B可以找到，交流电容都在F级别，要得到01F的电容需要并联很多小电容，因此在50HZ时，可以选择电容CBB20，单个电容可达到10F，电压100V电流2A满足要求，因此选择CBB20比较好。在感性负载和容性负载中，电流超前和滞后电压一个相位，并且，电流峰值也减小，这也证明之前的推论是正确的。当感抗较大时，电路成感性，对电压尖锋无缓冲作用。根据以上分析，为了尽可能降低等效电阻R和等效电感L，应注意A选用高频电容，目前生产的高频电容有四端电容，叠片无感电容以及多芯电容器等，这些电容的特点是在结构上力求减小等效电阻R和等效电感L；B安装工艺上尽量缩短滤波电容的引线，减少分布电感，采用小电容并联，以减小等效电阻R5。图25R50，TAN01电容阻抗波形图26R50，TAN0001电容阻抗波形22单相不可控整流电路的滤波电容221单相不可控整流电路模型电路的电源线与回流线（地线）之间总要连接很多的电容器通常称为滤波电容。一般情况下，滤波电容（多为电解电容）的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50HZ；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千HZ到几万HZ。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。图27为电容滤波的单相桥式不可控整流电路，在实际中负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。图27电容滤波的单相桥式不可控整流电路该电路的基本过程是，在U2正半周过零点至WT0期间，因U2UD，故二极管都不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时UD下降。WT0以后，U2将要超过UD，使得VD1和VD4导通，UDU2，电源向电容充电，同时向负载供电。设VD1和VD2导通时与U2过零点相距角，则28222（）在VD1和VD2导通期间有29（0）22（0）102式中UD（0）为VD1和VD4开始导通时直流侧电压值。将U2带入求解得21022（）211222（）21222COS（）22（）由图可以看出，空载时R，放电时间常数无穷大，输出电压最大，。22重负载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用，随负载加重，UD趋近于09U2，即趋近于电阻负载时的特性。通常是根据负载的情况选择电容C,使得，352T为交流电源周期10。222MATLAB仿真如图28所示，在MATLAB/SIMULINK中搭建电路模型，交流电源设置为100V，50HZ，驱动二极管的驱动信号为方波，负载为纯电阻10。图29，电容C0，即没有加滤波电容时波形，图210，C001F时波形，图211（A）R01，C001F时的波形，图211（B）R500，C001F时的波形，图212（A）L01H，图28电路模型C001F时的波形，图212（B）L001MH，C001F时的波形。图29C0时波形图210C001F时波形AB图211（A）R01，C001F时的波形（B）R500，C001F时的波形AB图212（A）L01H，C001F时的波形（B）L001MH，C001F时的波形由图29可以看出，在没有电容滤波时，负载电压电流波形接近半波，图210中加入电容C后，负载电压在9010V之间，电流在910A之间，起到了滤波效果。在图211（A）中加入小电阻后，波形大体没变，图211（B）中加入大电阻后，曲线呈现接近半波的波形，失去滤波效果。图212（A）中加入大电感后波形振动幅度加大，呈现接近半波的波形。图212（B）中加入小电感后波形变化不大，波动幅度减小。所以在选择滤波电容时，选择适当的电容值的前提下，要注意选择等效电阻和等效电感较小的电容。此时选择电容值比较大的、耐电压的YXA比较合适，由附录2可以看出，通过比较YXA的耐电压高，且在工作电压下TAN008，比较合适。第3章电源滤波电容的建模仿真本章对直流电源中BUCK和BOOST电路进行研究，通过对其电路的分析和计算来确定滤波电容，最后通过MATLAB进行建模仿真，验证推论，通过比较电路波形给出合理建议。31BUCK电路电容滤波图31（A）BUCK电路（B）功率管导通时电路（C）功率管关断时电路如图31所示，降压斩波电路（BUCK）以及功率管导通和关断时的电路。当功率管导通时，电源E向电容C和负载供电，同时电感和电容存储电能。当功率管断开时，借助续流二极管电感和电容向负载供电。设功率管导通时流过电容和负载的电流分别为I1，I2则有（12）131（1）2当功率管断开时有32（1I2）1021在BUCK直流斩波中，尽管输出电压和输出电流经常发生波动，但一定要保证它的输出电压平均值维持在所希望的电压等级。这种降压斩波电路输入电压给定，它的电压输出平均值是通过开关器件的导通TON和关断时间TOFF来控制实现的6。在电流连续导通模式情况下，电感中电流黑是连续的，当开关闭合时，并假定持续时间为TON，则电感中电流通过开关，并对二极管形成反偏，如图1（B）,电感上的电压ULUDUO为正，这个电压使电感电流IL线性增加。当开关断开时，由于电感中存在能量，使电流IL继续保持流动，但此时电流经过二极管形成通路。如图1（C）所示，此时电感电压ULUO。由于稳态运行必须每个相邻周期波形一样，所以电感电压UL在一个周期内的积分为0。考虑到TTONTOFF，该积分表示为330（）0（）（）0（UDUO）TONUO（TTON）或UO/UDTON/TD34上式表明，在电流连续模式下，只要输入电压UD不变，输出电压UO与占空比关系为线性关系，且与其他电路参数没有关系。在电流断续模式下，如图1所示，在一个周期内2T时间内电感电流为0，负载所需功率由电容提供，利用电感在一个周期内电压积分为0有35（UO）UO1T0其中36221/4/832BOOST电路电容滤波升压斩波电路（BOOST）原理如图32所示。理想状态下首先假设电感L值很大，电容C很大。可控器件IGBT导通时，电源向电感充电，同时电容上电压向负载供电；当IGBT关断时，电源和电感同时向电容和负载供电。当电路工作稳定时，一个周期T中，电感吸收和释放的能量相等，即371（0）1化简得380图32（A）BOOST电路（B）功率管导通时电路（C）功率管断开时电路在开关管导通时有39开关管关断时设流过电容和负载电流分别为I1，I2则有310121012升压斩波器在连续导通模式下，任何时候都有ILT0，电感电压在一个开关周期内对时间的积分为0，即311（UO）0对上式两端同时除以T，整理后的得到31211D假设电路不存在任何损耗，即PDP0。则有31301D在电流断续模式下，为保持UO恒定值，D必须要变化，如图1所示令电感在一个周期的电压积分为0，即314UO10移相整理后得到（315）1133MATLAB建模仿真在MATLAB中搭建BUCK电路，如图33所示，选择电感L1MH，直流电源E10V，负载R10。图33BUCK电路模型如图34，分别为C0和C001H时的波形。有图可知，在加滤波电容前输出波形接近方波，是一种有规律的波形；在加上滤波电容后，波形振动幅度减小且电压值在810V之间波动，起到了滤波作用。AB图34（A）未加入电容波形（B）C001H时波形在图35（A）是设置R01，C001H时波形，图35（B）为设置R5，C001H时波形；图36（A）设置L0001MH，C001H时波形，图36（B）是设置L03MH，C001H时波形。AB图35（A）R01，C001H时波形（B）R5，C001H时波形AB图36（A）L0001MH，C001H时波形（B）L03MH，C001H时波形比较图34和图35发现加入小电阻对波形影响不大，加入大电阻后波形变化很大，不再有滤波作用；比较图34和图36发现，加入小电感对波形影响不大，加入大电感后，波形波动加强，滤波效果不好。在MATLAB中搭建的BOOST电路如图37所示，设置直流电源E10V,电感L1MH，负载R10，IGBT给入方波。图38在未加上电容前波形图，图39加入电容C10MH波形图，比较后得知，加上电容后，波形波动变化变小，达到滤波作用。图37BOOST仿真图图38未加上电容前波形图图39C10MH时波形图图310中显示R001，C10MH时波形和R5，C10MH时波形；图311显示L1F，C10MH时波形和L001F，C10MH时波形。AB图310（A）R001，C10MH时波形（B）R5，C10MH时波形AB图311（A）L1F，C10MH时波形（B）L001F，C10MH时波形通过对BUCK和BOOST电路的分析和仿真，都得出并联电容有滤波的作用，使输出电压或电流满足要求，但是实际过程中，元器件存在寄生电阻和寄生电感，所以一般根据负载选择电容，尽量选择等效电阻小等效电感小的电容。BUCK和BOOST电路中电容属于储能电容，选择直流电容，由于设置电压为10V，一般电容容易满足，电感和电阻对波形有影响，应选择TAN较小的电容YXF，低阻抗且使用时间长。34滤波电容的选择滤波电容在开关电源中起著非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员十分关心的问题。50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。普通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。在电源设计中,滤波电容的选取原则是C25/FR（316）其中C为滤波电容，单位为UF；F为频率，单位为HZR为负载电阻，单位为当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件空间和成本允许，都选取C5/FR。由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。简易规则理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大小电容，凭经验选择。35储能电容本节重点在于如何计算储能电容的数值，本章通过查找资料确定一种计算方法和靠经验估算的方法，最后给出电容在电路板上摆放原则。351储能电容在电路中维持时间的计算方法电容器在两个极板间施加一直流电压U时，极间存在静电场，电极上的电荷靠电场力相互吸引，并相互束缚着。极板间存储的静电能量W表示为31722式中W电容器存储的能量，J；C电容器的电容，F；U电容器极间施加的直流电压，V。设电路正常工作时的输入功率为P，储能电容的容量为C，其两端的电压为U1，则电容储存的能量为，1122当输入电源掉电后，经过时间T,电容两端的电压为U2，此时电容剩余的能量为，1222在这一过程中储能电容释放的能量3181W2122222它应该等于电路维持正常工作所需的能量WPT,（即输入功率乘以时间）所以有122222由此就可以得到电路维持时间T所需的最小电容量为31921222在实际应用中，U2是电路能够正常工作的最低输入电压举例若电路正常工作时的输入电压为28V（U1），输入功率为30W（P），能够正常工作的最低输入电压为18V（U2），要求输入电源掉电50毫秒（T）时电路仍然能够工作，则所需储能电容的最小的电容量为212222305028218265526522第4章功率吸收电路电容的建模仿真本章主要研究功率器件IGBT和MOSFET，对其内部结构和等效模型进行分析了解得出计算方法，最后给出合理选取建议。41MOSFET模型MOSFFET是一种电压型场控制器件，他有栅极G、源极S和漏极D，由栅极控制漏源之间的等效电阻，使场效应管处于导通或关断状态。4,13,14电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此他第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个特点是开关速度快，工作频率高。另外，电力MOSFET管热稳定性高于GTR。但MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10KW的电力电子装置。MOSFET种类很多，按电沟道可分为P沟道和N沟道。当栅极电压为0时漏源之间就存在导电沟道的是耗尽型；栅极电压大于（小于）0时才存在导电沟道的称为增强型。10由MOSFET的基本结构可知，MOSFET内部的N1与P区相当于存在一个寄生二极管，所以电力电子电路变换时，当需要开关正向可控导电、反向自然导电时，就不需要在在外部并联二极管。当然如果反向电流很大时，通常还是在外部并联一个容量较大的二极管。MOSFET是所有电力电子开关器件中工作频率最高的，可达500KHZ以上。此外，MOSFET通态导电时的等效电阻具有正温度系数，电流具有负温度系数，不易产生内部局部热点4。静态特性漏极直流电流ID和栅源间电压UGS的关系反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET转移特性。MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。MOSFET输出特性有截止区、非饱和区和饱和区，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是漏源电压增加时漏极电流相应增加。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源间耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了MOSFET的安全工作区。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是他的一大优点。MOSFET存在三个极间电容CGS、CGD和CDS，一般厂家提供漏源极短路时输入电容CISS、共源极输出电容COSS和反向转移电容CRSS，他们间的关系为10414243MOTOROLA公司MTE75N10MOSFETUDSS100V,ID75A,CIES6000PF,COES4000PFCRESCGD1200PF,测试条件FS1MHZ，UGSUGE0，UDSUCE25V。即CGS4800PF，CDS2800PF。42IGBT模型IGBT中和了GTR和MOSFET的有点，具有开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。10因此IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压UGS为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压UGS的控制，UGS越高，ID越大。它与GTR的输出特性相似也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围10。IGBT的转移特性是指输出漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压UGSTH时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，ID与UGS呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压UDSON可用下式表示UDSONUJ1UDRIDROH（44）式中UJ1JI结的正向电压，其值为071V；UDR扩展电阻RDR上的压降；ROH沟道电阻。通态电流IDS可用下式表示IDS1BPNPIMOS（45）式中IMOS流过MOSFET的电流。由于N区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压UDS下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间TDON为开通延迟时间，TRI为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间TON即为TDONTRI之和。漏源电压的下降时间由TFE1和TFE2组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，TDOFF为关断延迟时间，TRV为电压UDSF的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间TF由图中的TF1和TF2两段组成，而漏极电流的关断时间TOFFTDOFFTRV十TF（46）式中，TDOFF与TRV之和又称为存储时间。IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低公司产品一般给出输入电容CIES输出电容COES和反馈电容CRES，IGBT极间电容与它们的关系为（47）（48）（49）IXYS公司的产品IXGH75N60IGBT，UCEO600V，IC75AT25，CIES4000PF，COES340PF，CRESCGC100PF，测试条件FS1MHZ，UGSUGE0，UDSUCE25V。则CCE240PF，CGE3900PF。43吸收电路模型及电容选择缓冲电路又称为吸收电路。在开关电路中加入缓冲电路是人们为改善器件开关环境而尝试的其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、DU/DT或者过电流和DI/DT，减小器件的开关损耗。在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗。开关损耗会导致器件的发热甚至损坏，对于功率晶体管GTR,还可能导致器件的二次击穿。实际电力电子电路中，还常由于二极管、晶闸管等的反向恢复电流而增加电力电子器件的开通电流，由于感性负载或导线的分布电感等原因造成器件关断时承受很高的感应电压。采用缓冲电路可以改善电力电子器件的开关工作条件。缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。图示以GTO为例的一种简单的缓冲电路。其中L与GTO串联,以抑制GTO导通时的电流上升率DI/DT,电容C和二极管D组成关断吸收电路，抑制当GTO关断时端电压的上升率DV/DT，其中电阻R为电容C提供了放电通路。缓冲电路有多种形式，以适用于不同的器件和不同的电路。这里主要研究带电容的关断缓冲电路模型，主要有无极性、有极性和复合型，如图41所示。图41关断缓冲电路三种模型常用关断缓冲电路模型如图42所示，图中开关管为IGBT直流电源E10V，R10。由于二极管单向导电，T关断时，C立即起作用，C两端电压不能突变，使得栅极源极两端电压上升率被限制，电容越大DU/DT越小。图42常用关断缓冲电路模型图43为不同缓冲电容时功率管关断时电压波形。电容C的电能在下一次开通时通过电阻R释放。电容C的计算公式（410）29AB图43（A）C0功率管关断时电压波形（B）C01F功率管关断时电压波形由图可以看出，当增大电容C时，电压波形趋于平滑，而且电容越大效果越好。从中和考虑，电容需要耐压10V，电流1A，选择YAX系列，因为YAX电压电流都能达到要求，而且损耗角正切值也最小，使用时间在一千到三千小时。结束语本文详细介绍了电容结构，用途和种类，具体介绍了整流滤波变容计算选型、电源滤波电容的计算选型、功率管的等效电容分析和储能电容的分析计算，同时通过MATLAB仿真验证理论。电容是电力方面基础元件，通过充放电工作，主要作用是实现旁路、去藕、滤波和储能等作用。通过单相不可控整流研究整流滤波电容，通过MATLAB建模仿真，给出选择电容的要点；基于状态空间平均法的非理想BUCK和BOOST变换器的建模过程,应用MATLAB对状态空间平均模型和BUCK变换器的实际电路模型进行仿真,并将仿真结果进行比较,得出结论在非理想条件下建立的PWMDCDC开关变换器模型能更准确的反映实际变换器的输出特性,揭示了考虑寄生参数建模的必要性。所建模型具有实用意义,特别适于了解BUCK和BOOST变换器的工作特性,同时对滤波电容有进一步认识。最后通过对储能电容的分析了解，找出储能电容的能量存储原理，得出储能电容的计算方法。对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。原因是如果去耦电容离IC电源引脚较远，则布线阻抗将减小去耦电容的效力。容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。板的位置允许，采用100UF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。为每个集成电路芯片配置一个001UF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每410个芯片配置一个110UF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500KHZ20MHZ范围内阻抗小于1，而且漏电流很小（05UA以下）。对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（VCC）和地线（GND）间直接接入去耦电容。去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。对于IC的电源，保证每个IC的电源PIN都有一个去耦电容，对于BGACHIP，要求在BGA的四角分别有两个电容共8个。对走线的电源尤其要注意加滤波电容，如VTT等。这不仅对稳定性有影响，对EMI也有很大