电解电容器的纹波电流承受能力分析
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。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最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，就会使电容器因核心过热而导致失效或损坏。但是，这也不是说就一定不能超出其额定值工作，在某些对纹波电流承受能力要求很高的场合，还可以通过合理的方法提高电解电容器的纹波电流能力，这就意味着最大的开发单个元件的能力，降低成本。那么在满足寿命要求的基础上，在其额定值之上有多少余量呢？下面从电容器纹波电流的定义出发逐步分析电容器纹波电流额定值定义中出现的问题，最后通过实例说明电解电容器纹波电流能力的扩展。
2、电容器的纹波电流
2、电容器的纹波电流
纹波电流是指流过电容器电流的交流部分。不同应用电路中的纹波电流有其具体形态，例如通常认为开关变换器中流过电容器的纹波电流是指直流电流的微小波动。但是无论那种形态的纹波电流都会使电容器发热，电容器应该工作在最大允许内部核心温度之内，否则将导致电容器很快损坏。如果工作温度接近最大允许内部核心温度而不超过它，这样电容器虽然不会马上损坏，但是会急剧缩短电容器的使用寿命。CDE铝电解电容器负载寿命使用说明书中指出，电容器工作在最大允许内部核心温度时的寿命一般为1000到15,000小时，也是6周到1.7年。
2.2 电容器的纹波电流额定值
纹波电流的额定值在定义上很复杂，而且不同厂家都有不同的考虑。但是其基本的定义原理大致相同，只不过根据厂家生产条件、技术水平和生产工艺的不同，在各厂家给出的数据手册中对纹波电流额定值都有所保留，也就是说要达到其能够承受的纹波电流最大值还有一定的阈度。这不仅提高了电容器工作的可靠性，而且也是处于企业产品竞争的考虑。下面详细介绍纹波电流额定值定义上的共性，目的是为了通过对其额定值制定过程的了解，找出提高纹波电流承受能力的可能性，提高电容器的利用率。
根据EIA-809的标准，纹波电流最大值由下面的公式决定，也是大多数厂家广泛应用的公式：
其中，Imax为最大允许纹波电流，即纹波电流额定值；ESR为等效串联电阻；Pmax为功率损耗的最大值。而Pmax是由下面的公式决定的：
其中，△Tmax为最大允许温升，也就是内部核心温度与环境温度的最大差值；Rth为电容器内部核心到外界环境的热阻。这里值得说明的是，如果厂家某一型号电容器的设计确定了，即电容器的材料、尺寸、引出方式等因素确定了，则Rth大小和ESR的变化规律就确定了，而且如果电容器的设计不改变，Rth在同一应用中的大小是基本不变的。所以在假定ESR不变的情况下，如果△Tmax确定了就可以通过公式[1]和[2]来确定纹波电流额定值。在EIA标准的描述中，电容器对环境的温升不应该超过10℃，但是一般电容器工作在额定温度以下时，这个值也可能被超越。下面以CDE电容器为例来说明纹波电流额定值的定义。
某电容器说明书中指出，纹波电流额定值的定义通常假设电容器处于对流冷却、外壳全裸在空气中的条件下，这样对于管径为3英寸（76mm），管壳长5又5/8英寸（143mm）的500C型电容器，已知其内部核心到外界环境的热阻为3.07 W/℃, 25℃、120Hz时的最大ESR为11.2 mΩ，考虑到85℃时ESR大约降低49%，通过公式[1]和[2]得
因此，85℃、120Hz的纹波电流的额定值为23.9A。
3、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。这说明纹波电流的额定值与温度有关，由前面的分析及公式[1]和[2]得知，如果仍然限定最大允许温升为10℃，Pmax基本不变，那么纹波电流额定值就只与ESR有关。但是实际的情况并非如此，因为不同额定工作温度下的最大允许温升是不同的，一般随着额定工作温度的升高最大允许温升会减小，具体规定由厂家数据手册中给出，如CDE的电解电容器规定额定工作温度85℃时的最大允许温升为10℃，额定工作温度为105℃时最大允许温度为5℃，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。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最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℃时额定值的倍数关系如下表：
4、纹波电流额定值的频率特性
电容器的纹波电流额定值不仅受温度影响，还受频率的影响。这也是因为ESR随频率的升高而降低造成的。因此，一般电容器的纹波电流额定值会随着频率的升高而升高。某电容器的纹波电流额定值与频率的关系如图1所示。
其它厂家不同型号的电容器还分别有其各自的特点，但变化趋势是大致相同的。但是ESR毕竟是个很复杂的量，它可以是温度、频率、额定电压等变量的函数，因此在大纹波电流的应用中应该验证工作频率下ESR的值。某些厂家的数据手册中给出了类似的倍乘系数来换算其他特性频率下的纹波电流额定值。
4、纹波电流额定值的频率特性
由上面的分析可知，纹波电流额定值与最大允许温升、等效串联电阻和热阻有关。其中，最大允许温升与电容器的可靠性直接相关，不同厂家由于设计和制作工艺不同，对最大允许温升都有其相应的规定，而且由于EIA标准的限制，对最大允许温升的限制不会有太大的突破，一般用户也不会冒降低应用可靠性的风险而草率地增加最大允许温升；而某种型号、同一设计的电容器确定后其ESR的变化规律也基本确定，无法通过对ESR的控制提高纹波电流能力。因此，若要增加纹波电流额定值，提高纹波电流能力是不是无路可寻了呢？幸运的是，热阻这个因素可以通过电路上的精心设计而降低，这样电容器的纹波电流承受能力就会相应提高。
通常电容器内部核心到外部环境（空气）的热阻主要由内部核心到管壳的热阻和管壳到外部环境的热阻组成。前者的热阻一般比较固定，如果制造电容器所用的材料确定了，这部分热阻就确定了。后者的热阻与电容器外壳本身的设计、安装方式和外电路的设计等因素有关，这部分热阻也就是我们可以用来扩展纹波电流承受能力的关键。下面介绍几种常用减小热阻的方式：
通常电容器内部核心到外部环境（空气）的热阻主要由内部核心到管壳的热阻和管壳到外部环境的热阻组成。前者的热阻一般比较固定，如果制造电容器所用的材料确定了，这部分热阻就确定了。后者的热阻与电容器外壳本身的设计、安装方式和外电路的设计等因素有关，这部分热阻也就是我们可以用来扩展纹波电流承受能力的关键。下面介绍几种常用减小热阻的方式：
2）增加电容器或电路板表面空气流动速度。这种方法对大多数电解电容器都适用，通常采用安装风扇的方式实现，目前常见的风速有200lfm（英尺每分）、500 lfm、1000 lfm，折合公制分别为1m/s、2.54m/s、5.08m/s。这种方式也可以有效的降低热阻，随着风速的不同热阻可以降低20%到60%之多。
3）有些电容器具有特殊的设计来降低热阻。例如对于带有双头螺栓安装的电容器可以在其底部插入一个与绝缘套管平齐的导热性好的大面积金属垫片，加快热量从此处散发。
可见在实际应用中，要提高电容器纹波电流的承受能力，就得对所设计的电路和电容器设计方面的信息了解得足够充分，除了要了解在不同条件下热阻的大小，而且对电容器在工作温度下的最大允许温升也要有所把握。纹波电流承受能力扩展的一个很重要的原则就是电容器的温升不能超过其最大允许温升，不然电容器的寿命会大大缩短，除非某些不计电容器寿命、破坏性引用的场合。通常额定温度在85℃的电解电容器，其最大允许温升为10℃；额定温度为105℃的电解电容器，其最大允许温升为仅为5℃。而且值得指出的是了解低温时电解电容器的数据是无益，因为一般电解电容器通常都会由于发热而工作在较高的温度。下面用实例来比较说明纹波电流承受能力的扩展。
仍然应用上面的那个例子，对于500C型电容器，其不同条件下的热阻如表2所示：
在数据手册中给出了85℃、120Hz的纹波电流为23.9A，如果取85℃时的最大允许温升为10℃，考虑到温度升高ESR减小49%，并由上面的热阻和公式[1]和[2]得，加金属底板后能承受的纹波电流为41.4A，比原来提高73.2%。同理，如果再令电容器表面空气流动的速度为200lmf，其能承受的纹波电流变为为42.3A，比原来提高77.0%。表面空气流动速度为1000 lmf 时，其值为44.9A，比原来提高87.9%。另外，如果不加金属底板而直接令表面空气流动速度分别为200 lmf和1000 lmf，其能承受的纹波电流为：27.1A和34.9A，分别比原来提高13.4%和46.1%。可见，减小热阻的方法可以从一定程度上提高纹波电流承受能力，并且从这个例子中可见安装金属板散热比风冷效果好一点。另外，如果电容器工作在低于85℃时，最大允许温升就会有一定的上升空间，这样电解电容器的纹波电流承受能力还会有所提高。最后需要指出的是通常电解电容器都会安装在远离热源的地方以减小其工作温度，一般电解电容器工作温度在55℃左右，而电解电容器最大允许温度在85℃时还能够满足大多数应用的要求，这样最大允许温升可以达到25℃，于是同样采取上面的措施，电解电容器工作在55℃时能够承受的纹波电流就会比85℃的额定值高出2倍多。
5、结语
纹波电流额定值的定义是很复杂的，而且每个厂家在其定义纹波电流额定值时都有其各自的考虑。但是欲想提高纹波电流的承受能力，就得紧紧抓住热阻和最大允许温升这两个主要因素，对所应用电容器的相关信息了解的越多对提升纹波电流承受能力越有利。另外，通过频率影响ESR也可能提高纹波电流能力，因此应该根据具体应用和设计采用多种有效的措施来达到预期的效果。
