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現代電源技術中電容器的正確選用
 
摘要:分析現代電源技術的發展對電容器特殊參數的要求,著重討論濾波電容器、吸收電容器,指出在使用時應注意額定電壓與壽命試驗的條件。
   
    關鍵詞:電容器等效串聯電阻阻抗頻率特性dv/dt 
  
    電容器作為基本元件在電子線路中起著重要作用,在傳統的應用中,電容器主要用作旁路耦合、電源濾波、隔直以及小信號中的振蕩、延時等。以上電路對電容器參數的主要要求有:電容量;額定電壓;正切損耗;漏電流等,對其它參數沒有過多的要求 。
  隨著電子線路,特別是電力電子電路的發展對不同應用場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。鋁電解電容器應用時主要問題是溫度與壽命關系,如廉價型環境溫度多為85℃,可在1000h內保證各性能參數,特別是電容量,超過1000h,各項性能指標將得不到保證,盡管在很多情況下還能用。如降低使用溫度可以延長壽命,基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場合下,應選用長壽命(如5000h以上,甚至105℃,5000h)電解電容器。一般體積小的電解電容器,其壽命相對較短。
  用于DC/DC開關穩壓電源輸入濾波電容器,因開關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較大的高頻電流,當電解電容器等效串聯電阻(ESR)較大時,將產生較大損耗,導致電解電容器發熱。而低ESR電解電容器則可明顯減小紋波(特別是高頻紋波)電流產生的發熱。
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  用于開關穩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時仍不呈現上升趨勢,見圖1。電解電容器ESR較低,能有效地濾除開關穩壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz后就開始呈現上升趨勢(見圖2),用于開關電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發現,普通CDII型中4700μF,16V電解電容器,用于開關電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比
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CD03HF型4700μF,16V高頻電解電容器的低,同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時,用普通電解電容器的瞬態響應遠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揮作用,應輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器,其主要優點是:高頻特性好,ESR低,如MMK5型容量1μF電容器,諧振頻率達2MHz以上,等效阻抗小于0.02Ω,遠低于電解電容器,而且容量越小諧振頻率越高(可達50MHz以上),見圖3,這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應或動態響應。
    2、吸收與換相電容器
  隨著柵控半導體器件的額定功率越做越大,開關速度越來越快,額定電壓越來越高,對緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優異的高頻特性是不夠的。
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  在大功率電力電子電路中,由于IGBT的開關速度已小于1μs,要求吸收電路電容器上的電壓變化速率dv/dt>按此在新窗口瀏覽圖片 V/μs已是很正常的,有的要求按此在新窗口瀏覽圖片 V/μs甚至按此在新窗口瀏覽圖片 V/μs。由電容器與電壓充電時間的基本關系可知
    i= C·dv/dt      (1)   
  如以1μF、按此在新窗口瀏覽圖片 V/μs計,則由式(1)可知其峰值電流將達按此在新窗口瀏覽圖片 A。即使較小的電容量如10nF,以按此在新窗口瀏覽圖片 V/μs速率變化則峰值電流為100A。對于普通電容器,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,在這種巨大且重復率很高的峰值電流沖擊下是很難承受的。所以經常可以看到電力電子電路因吸收電容應用不當造成電容器擊穿或斷路,損壞電力電子電路的現象。
  目前吸收電路專用電容器,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,盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容,應用在吸收電路中將有不同的表現,外形相近但規格不同在這里是絕對不能互換的。
  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,長度越大dv/dt和峰值電流則相對較小,以CDE公司WPP型電容為例,如表1所示。
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  吸收電路中電容器的工作特點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足要求。
  在某些特殊應用中要求儲能電容器反復急促放電,而且放電回路電阻極低、寄生電感很小,在這種場合下只能將吸收電容并聯使用以保證長期使用的可靠性。

    3、諧振電容器
  諧振式變換器,如諧振式開關穩壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器,工作時往往流過很大電流。如并聯諧振式晶閘管中頻電源,流過諧振電容器的諧振電流為流過晶閘管電流的10倍甚至更高,因此必須選擇專用電容器,方能滿足要求。又如電子鎮流器的諧振電容規格選擇不當時,會出現電容上電壓雖沒達到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電流而損壞的現象。
    4、耐壓與壽命試驗
  電容器的額定電壓和擊穿電壓之間留有一個安全系數,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,因此不能說電容器達到額定電壓就可能擊穿。
  薄膜電容器的壽命試驗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內不損壞。電解電容器的壽命試驗是在最高工作溫度及額定電壓條件下,在額定壽命期內主要參數符合規定要求。
  電解電容器的壽命與電容器長期工作的環境溫度有直接關系,溫度越高,電容器的壽命越短。普通的電解電容器在環境溫度為90℃時已經損壞,如:B41303,B43303等型號的電解電容器。但是現在有很多種類的電解電容器的工作環境溫度已經很高,如B43502在環境溫度為90℃,通過電解電容器的交流電流和額定脈沖電流的比為0.5時,壽命仍然為10000h,但是如果溫度上升到95℃時,電解電容器即已經損壞。因此,在選擇電容器的時候,應該根據具體的環境溫度和其他的參數指標來選定,如果忽略了環境溫度對電容器壽命的影響,那么電源工作的可靠性、穩定性將大大降低,甚至損壞設備和儀器。就一般情況而言,電解電容器工作在環境溫度為80℃時,一般能達到10000h壽命的要求。
  另一方面,電解電容器的壽命還與電容器長時間工作的交流電流與額定脈沖電流(一般是指在85℃的環境溫度下測試值,但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時測試的數據)的比值有關。一般說來,這個比值越大,電解電容器的壽命越短,當流過電解電容器的電流為額定電流的3.8倍時,電解電容器一般都已經損壞。所以,電解電容器有它的安全工作區,對于一般應用,當交流電流與額定脈沖電流的比值在3.0倍以下時,對于壽命的要求已經滿足。環境溫度和交流電流對電解電容器的影響如圖4所示。
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    5、結語
綜上所述,在現代電源技術中,不同應用場合需要不同性能的電容器,不能混用、濫用、錯用,以盡可能消除不應出現的損壞,并保證產品性能。

 
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