电容的分类和使用技术文件.doc
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1、技 术 文 件 技术文件名称:电容的分类和使用 技术文件编号: 版 本: 文件质量等级:共 17 页(包括封面) 拟 制 审 核 会 签 标准化 批 准 目录1前言22铝电解电容器22.1等效电路模型22.2热传导等效电路模型及电容的安装32.3电容的串联和并联52.4电容工作寿命计算62.5电解电容的失效防范63片式钽电容83.1电性能及术语解释83.2交流操作、纹波电压和纹波电流133.3可靠性和失效率计算153.4钽电容器的安装193.5电容器的机械性能和热性能214陶瓷贴片电容214.1陶瓷电容特性及与其它电容对比214.2应用领域224.3特点:234.4陶瓷电容的等效电路模型294
2、.5安装指南(封装形式)294.6器件的工作模式294.7陶瓷电容故障294.8供应商介绍315有机聚合物电解电容325.1应用领域325.2优点:325.3缺点:325.4POSCAP电容的等效电路模型335.5安装指南(封装形式)335.6器件的工作模式335.7工作寿命计算345.8失效的模式和防范345.9计算实例355.10供应商介绍355.11不同公司产品的特性差异,以及特殊工艺方法介绍35电容的分类和使用1 前言我们的产品以往的很多故障都是因为元器件的使用不当造成的,所以说,在进行产品设计时,正确使用元器件是保证产品质量的关键,由于元器件的种类比较多,我们按大类来分别介绍,本部分
3、主要介绍常用的几种电容的特性和使用。2 铝电解电容器2.1 等效电路模型铝电解电容可以等效为:等效串联电阻(ESR),等效串联电感(ESL),纯电容(C)和等效并联漏电电阻(Rleak)。(其中等效并联漏电电阻的大小由电介质的特性决定)电容器经充放电以后,由于存在电介质的电场残余效应,部分场能仍将储存在电介质中,产生剩余电压。因此大容值铝电解电容器会在两极间跨接一短路放电电阻,以防意外。由于等效串联电阻(ESR)的存在,电流流过电容时,会产生一定的功率损耗。ESR值会随着电容“热点温度”的升高及电流频率的增加而减少。(“热点温度”是指电容绕组内部的最高温度),下图1是电容的等效ESR与温度和频
4、率的关系曲线:图1若电流由基频和多次谐波构成,则须计算每次谐波产生的功率损耗值,并将计算结果相加以求得总损耗值。电容工作时的功率损耗会使其内部的温度上升,电容“热点温度”(Th)值将直接影响到电容器工作寿命(Lop):热点温度越高,工作寿命越短。为计算“热点温度”(Th)值,就必须知道电容器的等效热阻(Rth)。注意:在频率很高时,还应考虑到等效串联电感产生的热效应。电容的谐振频率(fR),因电容器种类不同而不同。对于轴向穿心电容(PEG系列),谐振频率范围可从20kHz到1MHz以上;对于焊片式和螺栓连接式铝电解电容,谐振频率在1.5kHz至150kHz之间。如果电容器在高于谐振频率时使用,
5、对外特性呈感性。2.2 热传导等效电路模型及电容的安装电容器内部的热量,总是从温度最高的“热点”向周围温度相对较低的部分传导。热量传递的途径有几种:其一是通过铝箔和电解液传导。如果电容被安装在散热片上,一部分热量还将通过散热片传递到环境中。从“热点”传递到周围环境中的总热阻用Rth 来表示。以下图例1和2呈现的是:分别采用夹片安装和螺栓安装方式,将电容安装在热阻为2/W的散热片上,所得到的电容热阻值;图例3呈现的是采用螺栓安装方式,将电容安装在热阻为2/W散热片上、强迫风冷速率为2m/s时,所得到的电容热阻值。另外将延长的阴极铝箔与电容器铝壳直接接触,也是很好的降低热阻的方法。同时应注意铝壳会
6、因此带负电,不能作负极连接。夹片安装方式:Rth = 3.6/W螺栓安装方式:Rth = 2.1/W螺栓安装方式:Rth = 1.8/W电容必须正确安装才能达到它的设计工作寿命。安装时确保安全阀朝上,这样热的电解液及蒸气才能在电容失效的情况下,从安全阀顺利排出。请看下图中安全阀的朝向。正确的朝向 不正确的方式相比较夹片安装方式,螺栓连接的铝电解电容与底部散热片之间的接触更紧密,从而散热更有效。(夹片安装的电容器往往与底部散热片之间存有一个空气间隙)相比较夹片安装,螺栓连接电容器的安装方式要方便得多。固定用尼龙螺母的耐压从2.5KV到4 kV不等。当电容排列很紧凑时相邻电容间至少应留出5mm的间
7、隔以保证适量的空气流动。使用螺栓安装时,螺母扭矩的控制非常重要。如果拧得太松,则电容与散热片间就不能紧密接触;如果拧得太紧,又可能使螺纹损坏。同时应注意电容器不应倒置安装,否则可能造成螺栓的折断。在高频应用中,电容两端引线应尽量短以减小等效电感。右下图为较佳的安装方式。铝电解电容安装时应尽量远离发热元件,否则过高的温度会缩短电容器的使用寿命,从而使得电容器成为整个电路中寿命最短的部件。2.3 电容的串联和并联若采用串联方式连接电容,需要注意铝电解电容器的分压问题。容值的误差可以使容值较小的电容分配到很高的电压,例如:两颗额定电压为350VDC, 容值公差为+20%铝电解电容器串接,并在两端加载
8、700VDC电压。那么在最糟糕的情况,一颗电容容值20%正偏差,另一颗为20%负偏差,负偏差的电容分配到的电压为:使用分压电阻是在各电容之间正确分配电压的一种较好的方式。分压电阻阻值的计算公式为:最好使用高品质的分压电阻,否则电阻的失效会导致电容因分压不均而击穿。在可靠性要求高的领域,电阻的发热功率应低于其额定值的50%。分压电阻间的阻值误差不应大于+5%,同时还要考虑阻容回路的充放时间常数,以防电压稳定时间过长。有两种方法连接分压电阻:在大电流的应用中,可以采用并联方式连接,但需确保分配到每个电容支路上的电流相等。在图1中,在高频应用时,电感可以导致每个电容上的电流分配不均匀。图2中,每个电
9、容电流分配是相等的。使用低电感的母线棒能降低电感,可降至1 n H。原则上,阴极应该设置在阳极上方。2.4 电容工作寿命计算为计算电容工作寿命(LOP),必须知道:工作电压(Uapplied),电容流过的电流的有效值(IRMS),环境温度 (Ta)和热阻 (Rth) 。您可以从EVOX RIFA公司的销售机构得到本公司产品的ESR值和热阻矩阵。首先,在ESR矩阵中,查出不同频率及热点温度(Th,假设值)时对应的“ESR”值,然后计算出IRMS流过时电容产生的“功率损耗(PLOSS)”。若IRMS由多次谐波构成,则需计算每次谐波产生的功率损耗并依次相加。电容绕组热点至环境温度的“热阻值”可以在热
10、阻矩阵查出,由此可以计算出实际“热点温度(Th)”,若此实际值与先前选取ESR值时的假设值Th不符,则需修正假设,重新查出ESR值,重复叠代计算,直至结果吻合。得到正确的Th值后,就可利用下述公式很容易计算出电容工作寿命。2.5 电解电容的失效防范电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。UR额定电压US浪涌电压,1000个周期,无载330秒,带载30秒 (Us一般为110%115%倍UR)UT瞬态高电压LC滤波器中,开关动作时,也可能产生瞬时过电压。该瞬时过电压会对电容产生“过冲击”采用半导体元件的软开关技术可有效地防止瞬时过电压。整流器前的滤波器可滤除一些高速瞬时
11、高压,但不可能全部。如果铝电解电容器的正负极连接错误,只需很短的时间就会造成电容器的损坏。因此为避免类似的连接错误,电容器上正极会旋转90。超出额定值的电流会造成电容内部温升过高,而缩短其工作寿命。但如果纹波电流的持续时间与热传导时间常数相比更短,则不会对电容造成损害。电容内部的热点温度决定了电容器的工作寿命。可使用温度传感器测量电容工作时的内部温升。(温度传感器须直接接触电容铝壳)对于螺栓端连接铝电解电容器,可在电容内部插入热偶的方法测量。3 片式钽电容3.1 电性能及术语解释3.1.1 标称电容量(CR) 这是标称额定电容量,对钽电容器来说, 20用测量电桥测量等效串联电路的电容量。3.1
12、.2 电容量偏差这是实际电容量值所允许的变化。3.1.3 电容量与温度的关系(曲线) 钽电容器的电容量随温度变化。该变化自身与额定电压和电容器的大小有点关系。 电容量与温度%电容量150-15 -25 0 25 50 75 100 125温度()3.1.4 电容量与频率的关系(曲线)频率增加则电容量减少。超过100KHz,电容量继续下降达到谐振(典型的介于0.55MHz)。超过谐振频率。 电容量(F) 1000 10000 100000 1000000 频率(Hz) 3.1.5 直流额定电压(VR)这是85持续施加的直流额定电压。3.1.6 类别电压(VC) 这是可施加到电容器上的最大电压。在
13、85时它等于额定电压,超过该温度,它将呈直线下降,在125达到VR的2/3。最大类别电压与温度 %额定电压10090 7050 75 95 115 温度() 3.1.7 浪涌电压(VS)用最小串联电阻为1千欧的电阻在电路中对电容器在短时间内施加的最大电压。在每小时内每次为期30秒的浪涌电压可达10次。在电路设计中,浪涌电路不能作为参数使用,在常规操作中,电容器要定期充电、放电。85125额定电压(Vr)浪涌电压(Vs)降额电压(Vc)浪涌电压(Vs)46.31016202535505.281320263246652.747.010131723323.25812162028403.1.8 浪涌效
14、应 固体钽电容器承受浪涌电压和浪涌电流的能力有限。这和其它电容器有共同之处,因为通过电介质的电场强度很大。例如一个25v的电容器在额定电压下操作时就具备147kv/mm的电场强度。 确保电压通过电容器引出端时不超过规定的标称额定浪涌电压是相当重要的。在低阻抗线路中,电容器易受到浪涌电压的应力。降低电容器额定电压的50%或更多,可增加元件的可靠性。在需承受快速充电和放电的电路中,我们推荐1/v的保护电阻。如果可能的话,应使用达到70%的降额度。作为一个单独的电容器,在这种情况下则需要比原有更高的电压。应使用串联的方法以提高电容器的工作电压:如两个22F 50V的元件串联等效于一个11F 50V的
15、元件。3.1.9 反向电压 提供的数值是随时出现在电容器上的反向电压的最大值。此类限制是以假设电容器在正确的方向极化为条件的。连续施加反向电压而无正常的极化将导致漏电流变差。连续施加反向电压的情况可能出现在有阴极引出端相连的对头拼接结构的两个相似的电容器上。在大多数情况下这种组合的容量只有其中一只的标称容量的一半在分离脉冲或最初的几次循环下,容量可接近标称值。 设计反向额定电压是用于控制偶尔出现的极性偏差。提供的数值不用于控制连续的反向操作。 施加到电容器的反向电压的峰值不能超过: 25,最大值为1.0v时,不超过额定直流工作电压的10%; 85,最大值为0.5v时,不超过额定直流工作电压的3
16、%; 125,最大值为0.1v时,不超过类别直流工作电压的1%。3.1.10 叠加交流电压(Vr.m.s)纹波电压 这是交流电压的最大均平方根值,叠加于直流电压上,可施加于电容器上。直流电压值及叠加交流电压的峰值不能超过类别电压VC。3.1.11 形成电压这是阳极氧化形成时的电压。对钽电容器来说,该氧化层的厚度与形成电压成比例,是设置额定电压的一个因素。3.1.12 损耗因素损耗因素是用来测量损耗角正切,用百分比加以表示。用提供0.5Vpk-pk120Hz正弦讯号,无谐振,且最大偏压为2.2Vdc的测量电桥,可测出损耗因素。损耗因素值与温度、频率有关系。3.1.13 损耗角正切(tan)这是用
17、来测量电容器能量损失的。在规定频率的正弦电压下,所消耗的有功功率与无功功率的比值称为损耗角正切。常用的术语还有功率因素,损耗因素和介质损耗。余弦(90-)是功率因素。用提供0.5Vpk-pk 120Hz正弦讯号、无谐振,且最大偏压为2.2Vdc的测量电桥可测出损耗角正切。3.1.14 损耗因素与频率的关系如图所示损耗因素随频率而提高: 损耗因素与频率损耗因素 0 1 10 100 频率(Hz)3.1.15 损耗因素与温度的关系如图所示,损耗因素随温度变化而变化。 损耗因素与温度 损耗因素 1.8 1.4 1 0.8 -55 -5 0 45 95 温度()3.1.16 阻抗Z在规定频率下电压与电
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