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电解电容器的纹波电流承受能力分析

1 引言

在电力电子线路中，电解电容器经常受到大脉动电流、高频大滤波电流和短时大电流脉冲的作用，因此对流过其内部的电流要有严格的限制，这样才能保证电路的可靠性。其中一个很重要的指标就是电解电容器纹波电流的额定值。它们也可以在电荷泵电路中用作能量存储元件，以产生比输入电压更高的电压。由大量的实验及实践的经验得知，一般纹波电流对电解电容器主要的影响就是使其发热，因为电解电容器的等效串联电阻（ESR）相对比较大，一般为数十毫欧姆到十几欧姆，这样纹波电流流过ESR就会有明显的功率损耗，使电容器发热。而且流过电容器的纹波电流越大，在电容器ESR上产生的损耗也会随之增大，由功率损耗产生的热会明显降低电解电容器的使用寿命。如果电解电容器工作在超出其纹波电流额定值的条件下，就会使电容器因***过热而导致失效或损坏。

纹波电流额定值的温度特性

由上面纹波电流额定值的定义中可以看出，决定纹波电流额定值的因素中，ESR和△Tmax都是与温度有关的量。这样的规定是由于厂家出于增加电容器使用可靠性的考虑。③在电容器停送电过程中及电力系统发生接地或其它故障时，保护装置不能有误动作。这样，纹波电流额定值会因温度的升高减小。如果考虑ESR随温度上升而减小的特点，受ESR的影响温度的升高会使纹波电流额定值有所增加，这在一定程度上弥补了受1大允许温升影响而减小的纹波电流额定值，即在一定程度上弥补了电容器对纹波电流的承受能力的损失。但是总的来说，一般纹波电流额定值会随着温度的升高而减小。大多数厂商的数据手册给出了纹波电流倍乘系数来换算其他温度下纹波电流额定值。如某电容器的400C型和300型电容器的数据手册中给出了85℃、120Hz时的纹波电流额定值，其他温度下的额定值与85℃时额定值的倍.

      电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料，分正、负极性，类似于电池，不可接反。正极为粘有氧化膜的金属基板，负极通过金属极板与电解质（固体和非固体）相连接。

　　1、电路设计

　　（1）在确认使用及安装环境时，作为按产品样本设计说明书上所规定的额定性能范围内使用的电容器，应当避免在下述情况下使用：

　　a）高温

　　b）过流

　　c）过压

　　d）施加反向电压或交流电压。

　　e）使用于反复多次急剧充放电的电路中。

　　另：在电路设计时，请选用与机器寿命相当的电容器。

　　（2）电容器外壳、辅助引出端子与正、负极 以及电路板间必须完全隔离；

　　（3）当电容器套管的绝缘不能保证时，在有绝缘性能特定要求的地方请不要使用；

　　（4）请不要在下述环境下使用电容器：

　　a）直接与水、盐水及油类相接触、或结露的环境；

　　b）充满有害气体的环境（硫化物、h2so3、hno2、cl2、氨水等）；

　　c）置于日照、o3、紫外线及有性物质的环境；

　　d）振动及冲击条件超过了样本及说明书的规定范围的恶劣环境；

　　（5）在设计电容器的安装时，必须确认下述内容：

　　a）电容器正、负极间距必须与线路板孔距相吻合；

　　b）保证电容器防爆阀上方留有一定的空间；

　　c）电容器防爆阀上方尽量避免配线及安装其他元件；

　　d）电路板上，电容器的安装位置，请不要有其他配线；

　　e）电容器四周及电路板上尽量避免设计、安装发热元件；

　　（6）另外，在设计电路时，必须确认以下内容：

　　a）温度及频率的变化不至于引起电性能变化；

　　b）双面印刷板上安装电容器时，电容器的安装位置避免多余的基板孔和过孔；

　　c）两只以上电容器并联连接时的电流均衡；

　　d）两只以上电容器串联连接时的电压均衡。

随着频率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消时的频率为铝电解电容器的谐振频率，这时的阻抗低，仅剩下ESR。为了起动电动机，次级“起动”绕组具有串联的非极化起动电容器，以在正弦电流中引入引线。如果ESR为零，则这时的阻抗也为零；频率继续上升，感抗开始大于容抗，当感抗接近于ESR时，阻抗频率特性开始上升，呈感性，从这个频率开始以上的频率下电容器时间上就是一个电感。

由于制造工艺的原因，电容量越大，寄生电感也越大，谐振频率也越低，电容器呈感性的频率也越低。电机起动器在单相鼠笼式电动机中，电动机壳体内的初级绕组不能在转子上起动旋转运动，而是可以维持转子运动。这就要求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等效阻抗，同时，对于电源内部，由于半导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声，亦能有良好的滤波作用，一般低频用普通电解电容器在10kHz左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开关电源使用要求。