电容器和开关电源.ppt
《电容器和开关电源.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电容器和开关电源.ppt(161页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、电容器与开关电源,陈永真辽宁省锦州市士英街169号121001,开关电源中的电容器,开关电源中大量应用的电容器:第一类:电解电容器 主要用于输入整流滤波、输出整流滤波、辅助电源的旁路等第二类:薄膜电容器 主要用于耦合、缓冲、电源旁路、定时、电源滤波器第三类:陶瓷电容器 与薄膜电容器作用相似,电解电容器的分类,1.铝电解电容器 主要用于工频整流滤波、开关电源输出整流滤波、辅助电源的旁路。2.钽电解电容器 主要用于DC/DC变换器的电源输入旁路、DC/DC变换器或高可靠电源的输出整流滤波、辅助电源的旁路。3.聚合物电解电容器 高频开关电源的输出整流滤波、高电流变化率负载的电源旁路,输入整流滤波电路
2、对滤波电容器的要求,1.平滑整流输出电压(整流滤波);2.吸收工频纹波电流和逆变器的开关成份电流;3.工频整流滤波需要滤波电容器具有很大的电容量,在50Hz/220V输入电压时只能选用铝电解电容器。,一、铝电解电容器,铝电解电容器是最早的电解电容器:1921年出现液体铝电解电容器,1938年前后改进为由多孔纸浸渍电糊的干式铝电解电容器。,(一)铝电解电容器参数,铝电解电容器电压参数,1、额定DC电压VR额定DC电压VR是电容器在额定温度范围内所允许的连续工作电压,它包括在电容器两电极间的直流电压和脉动电压或连续脉冲电压之和。2、反向电压 绝大多数电解电容器不允许施加反向电压,铝电解电容器的反向
3、电压短时间内不得超过1.5V,一般允许不超过0.8V。,铝电解电容器电压参数,额定浪涌电压Vs额定浪涌电压Vs是铝电解电容器在短时间内能承受的电压值,其测试条件是:电容器工作在25C,在不超过30秒,两次间隔不小于5分。IEC 384-4中规定的浪涌电压与额定电压的关系如下:UR315V时:US=1.15URUR315V时:US=1.1UR 有些铝电解电容器(主要是大型铝电解电容器)在外壳上也标注浪涌电压。一般的标注方法为:VS,,铝电解电容器电压参数,瞬间过电压:铝电解电容器一般能瞬间承受的极限过电压。接近于铝电解电容器的击穿电压,铝电解电容器的电压与漏电流特性,铝电解电容器的电容量,电容量
4、的温度特性,铝电解电容器的电容量,电容量的频率特性,漏电流特性随温度增加,漏电流、CDE生产的450V/4700F/85铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系,漏电流的电压、温度特性,25时漏电流仅仅是85时漏电流的不到十分之一额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。,漏电流特性随电压增加,CDE生产的450V/4700F/85铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系,铝电解电容器的老炼,由于作为绝缘层的氧化铝介质的特殊性:氧化铝介质在铝箔切割、铆接过程中受到的损伤或受电解液中的氯离子的腐蚀而产生缺陷而产生的漏电流,需要通过施加直流电压的(阳极氧化)方式加以修补,因此,即使已经施加很
5、长一段时间直流电压,仍会有一小的修补电流流过。这个电流成为漏电流。漏电流低意味着电解液中的氯离子极少,可以得到良好的修补结果,也表明作为绝缘层的氧化铝介质是良好的。电解液和铝箔中的铁、铜离子在铝电解电容器的电极上施加电压后会产生原电池效应电流,需要较多的电荷将其消耗掉,这就是一些铝电解电容器在初次加电后需要较长时间“漏电流”才能降到正常值的原因。这种现象也说明了铝电解电容器出厂前需要“老炼的必要性”。,铝电解电容器的赋能,铝电解电容器经过长时间无电压状态的存储后而没有任何的应用时其电解液中的氯离子对氧化铝介质膜的损伤最大,尤其温度很高的条件下进行存储时,在这种情况下从氧化层到阳极没有漏电流流过
6、,氧化层就不能重新产生。结果就是当延长存储后接入电压时,会产生一个高于正常值的漏电流。然而,随着使用过程中氧化层的重新产生,漏电流会逐渐降低至正常值。同时由于铁、铜离子的原电池效应也逐渐恢复,这使得铝电解电容器的漏电流将需要一个长时间的施加电压加以恢复。这个过程称为老化或成为赋能。通常在铝电解电容器使用前最好进行赋能。,损耗因数,电解电容器的损耗因数(Dissipation Factor,英文缩写:DF)可以理解为在交流电流激励下,电解电容器的无功功率和等效串联电阻(ESR)的有功功率分别为:,铝电解电容器的损耗因数与温度、频率的关系,工作温度范围,由于铝电解电容器是电解液负极,随着温度的升高
7、将会达到电解液的沸点。因此,电解液的沸点将是铝电解电容器不可逾越的最高工作与存储温度。在实际应用中,最高工作温度要比电解液的沸点低1020K;同样,也是由于铝电解电容器的负极是电解液,在温度过低时,电解液将变得粘稠甚至凝固时铝电解电容器不能应用。因此,铝电解电容器也有工作与存储温度的下限。在工作/存储温度上限与下限之间的整个温度范围就是铝电解电容器的工作温度范围。,工作温度范围,对于比较低级的商业应用,铝电解电容器的最高工作/存储温度和最低工作/存储温度为+85/-20。如果对低温有特殊要求时,最低工作温度可以达到-40;如果铝电解电容器的工作/存储温度比较高,则需要105最高工作/存储温度的
8、铝电解电容器;当遇到更高的工作温度,如节能灯或汽车发动机舱内的应用时,要求铝电解电容器的最高工作/存储温度要达到125甚至是150。通过上述分析可以看到,铝电解电容器的最高工作/存储温度可以分为:一般应用的+85,比较高工作/存储温度的+105和非常高工作温度的125甚至是140、150的五个最高工作/存储温度。,寿命,同样是由于铝电解电容器的负极是电解液,随着时间的推移,电解液会渐渐的干涸,当电解液干涸到一定程度后,铝电解电容器的实际的负极板有效面积将明显的变小,电容量将开始明显降低;同时伴随着ESR的明显升高,当电容量的减小,ESR的上升达到一定程度,铝电解电容器将失去应用意义。这标志着铝
9、电解电容器寿命终了。,铝电解电容器的额定温度与寿命的额定参数,综上所述,铝电解电容器的额定温度是该铝电解电容器允许工作和存储的最高温度,根据工作环境温度要求通常可分为85、105、125和140四个温度等级。并且在各温度等级下的寿命小时数,如1000小时、2000小时、3000小时、4000小时、5000小时、8000小时、10000小时甚至更高。,等效串联电阻,电解电容器的等效串联电阻(ESR)。其中,电解液的电阻是铝电解电容器等效串联电阻(ESR)的主要部分。对于一般应用的铝电解电容器,多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的,对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式
10、铝电解电容器则给出这个数据。,等效串联电阻,多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR数据的主要原因主要是:相对于其它介质的电容器,铝电解电容器的ESR显得太大。如1F/16V的普通铝电解电容器,其ESR一般在20左右;100F的铝电解电容器,其ESR也是在1.52之间。试想,这样的数据写在数据手册里肯定会影响应用者的应用铝电解电容器的信心。因此,在某种以上说,应用铝电解电容器是一种无奈的选择。会影响铝电解电容器的应用。,铝电解电容器的阻抗频率特性,铝电解电容器的阻抗频率特性,图中的每一条曲线的最低值即可认为是ESR值,从图中可以看出,100F/63V铝电解电容器在-40时的ESR接近1.5,-2
11、5时下降到0.5,0时下降到0.1,室温+25时为0.05而在+85的最高工作温度下的ESR最低,为0.04;47F/350V铝电解电容器在-40时的ESR接近6,-25时下降到3,0时下降到1.2,室温+20时为0.4而在+85的最高工作温度下的ESR最低,为0.06。可以看到,ESR从25到高温限下降35%到50%,但在低温时ESR增加非常明显,从0到-40ESR增加约一个数量级。如果从最高工作温度到最低工作温度,则ESR增加50100倍。,ESR的热效应与铝电解电容器的热阻,纹波电流流过铝电解电容器的ESR将产生p=i2*RESR的功率损耗而导致铝电解电容器的发热。相对电力半导体器件,铝
12、电解电容器的散热能力非常差。所以,稍有功耗铝电解电容器内部温度将明显升高,从而降低了铝电解电容器的使用寿命。因此,除了要清楚铝电解电容器的ESR在电路运行中的影响外,还要关注铝电解电容器的散热能力问题,即热阻。,插脚式铝电解电容器的热阻实例,铝电解电容器热阻,从上面分析可以看到不同的铝电解电容器厂商生产的产品,外形相同或相近的外壳的外壳到环境的热阻基本相同,而芯包到外壳的热阻则大相径庭。如果仅仅从品质角度考虑,铝电解电容器的芯包到外壳的热阻反映了铝电解电容器的应用品质。全球众多铝电解电容器生产厂商中,能过给出其生产的铝电解电容器的热阻很少。有的是没有这方面的数据(如国内众多铝电解电容器生产厂家
13、),而有的则是技术保密的需要,当然也有感到自己生产的铝电解电容器的热阻值太大,过于羞涩,公布出去有伤大雅。,额定纹波电流,交流纹波电流流过铝电解电容器,将在其ESR上产生损耗而使铝电解电容器发热,这个发热的限度对纹波电流的限制就是额定纹波电流值。其定义为在最高工作温度下可以确保铝电解电容器额定寿命时间的最大纹波电流值。对于一般应用的铝电解电容器,多数铝电解电容器生产厂商是不给出额定纹波电流数据的,对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给出这个数据。实际上铝电解电容器可以承受的纹波电流也是比较低的,对于普通用途的铝电解电容器可以承受的纹波电流值的第一感觉就是太低
14、了。,表4.16.1 国产CD110型铝电解电容器的ESR、纹波电流,国产低阻抗、高纹波电流引线式铝电解电容器的ESR与纹波电流,某型号国产插脚式铝电解电容器,铝电解电容器失效模式及其失效因素,铝电解电容器正极、负极引出电极和外壳都是是高纯铝,铝电解电容器的介质是在正极表面形成的三氧化二铝膜,真正的负极是电解液,工作时相当一个电解槽,只不过正极表面的阳极氧化层已经形成,不再发生电化学反应,理论上电流为零,由于电极与电解液杂质的存在,会引起微小的漏电流。从现象上看,铝电解电容器常见的失效现象与失效模式有:电解液干涸、压力释放装置动作、短路、开路(无电容量)、漏电流过大等。,铝电解电容器应用环境,
15、如果铝电解电容器在质量上没有问题,失效问题的出现就是出现在应用环境中。铝电解电容器设计应用环境主要有:环境温度、散热方式、电压、电流参数等。对电容器的应用者而言,短路、开路属于“灾难性的失效”,或曰“致命的失效”,使其完丧失了电容器的功能。其他几类失效模式(即由第二类因素造成的失效),一般归为“劣化失效”,或曰“耗尽失效”。,耗尽失效(1),通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定(初始值)的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈,铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补倍杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期,由于电解液挥发而减少,
16、粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层,这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小,即阳极、阴极铝箔容量减少,引起电容量急剧下降。因此,可以认为铝电解电容器的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。,耗尽失效(2),由于应用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器在工作在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过铝电解电容器,在铝电解电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时,电阻率因粘稠度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导
17、致电容器损耗明显上升,损耗角增大。例如对于105度工作温度的电解电容器,其最大芯包温度高于125度时,电解液粘稠度骤增,电解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串联电阻会产生更大热量,造成电解液的更大挥发。如此循环往复,铝电解电容器容量急剧下降,甚至会造成爆炸。,耗尽失效(3),漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加,压力释放装置动作,为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸,直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力释放装置,这些压力释放装置在铝电解电容器内
18、部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作,泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作,铝电解电容器即宣告失效。,铝电解电容器压力释放装置,电化学过程导致压力释放装置动作,铝电解电容器的漏电流就是电化学过程,前面已经详尽论述,不再赘述。电化学过程将产生气体,这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升,最终达到压力释放装置动作泄压。,温度过高导致压力释放装置动作,铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高,如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境;铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高
19、的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。,瞬时超温,通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10,其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心,是电容器内部最热的点。可是,当电容器升温接近其最大允许温度时,对于大多数型号电容器在125时,其电解液要受到电容器芯包的排挤(driven),导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下,瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大,从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能,还要额外注意铝电解电容器的冷却。,瞬时
20、过电压的产生,上电冲击上电过程中,由于滤波电感释放储能到滤波电容器中,导致滤波电容器的过瞬时过电压。,上电过电压示意,电容过电压失效的防范,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。选择承受瞬时过电压性能好的铝电解电容器,RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值得参数。,RIFA铝电解电容器可承受的瞬时过电压,RIFA铝电解电容器可承受的瞬时过电压,电容量比较小的铝电解电容器可以承受的瞬间过电压比电容量比较大的高,主要原因是体积小,散热能力比较好。,铝电解电容器的正负极连接错误,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
21、连接错误,电容器的正极端子的方向会旋转90。即与两螺栓端子轴线垂直方向的是正极,顺着两螺栓端子轴线方向的为负极。,铝电解电容器的寿命问题,寿命问题是铝电解电容器的最致命的硬伤!,应用环境对铝电解电容器寿命的影响,温度纹波电流,铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系,不同频率下的可承受的纹波电流折算,不同频率下,铝电解电容器所承受的纹波电流值不同,施加电压对寿命的影响,以EPCOS的B43697电子镇流器用铝电解电容器为例。在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同,施加电压对寿命的影响,在+105温度条件下,在额定电压450V时的寿命为40 000小时,而在420V(93%额定电压)时寿
22、命则为11 500小时,相当于在同等纹波电流条件下温度降低13!,铝电解电容器的应用及注意事项,不要应用来路不明的铝电解电容器(1),为什么不要应用来路不明的铝电解电容器?最根本的原因是我国的电子元件市场曾经历过拆机件、水货、假货充斥市场情况。随着时代的发展,这种现象越来越少。但是需要注意的是,半导体器件尚可用拆机件,而铝电解电容器绝不能应用拆机件!原因是铝电解电容器的寿命在各类电子元件中寿命是最短的。国外报废的电子产品的拆机件中,铝电解电容器的剩余寿命是最少的。如果仅仅是做实验还能勉强,如果试作产品,其结果是可想而知的。,不要应用来路不明的铝电解电容器(2),套膜是伪劣铝电解电容器“翻新”的
23、常用手法。通常将买来的铝电解电容器套上升两档标注额定电压的新套膜热缩管,其印刷水平可以以假乱真。,铝电解电容器的“偷电压”,由于铝电解电容器的浪涌电压是额定电压的1.15倍,对于350V耐压的铝电解电容器的浪涌电压为402V,高于220V+20%对应的整流峰值电压370V;而对于300V额定电压的铝电解电容器的浪涌电压为345V,可以满足243V交流有效值输入电压。如果用额定电压为300V的阳极箔替代额定电压400V的阳极箔将会大大降低铝电解电容器的成本。有的铝电解电容器生产厂商就是采用这种“偷电压”的方法降低生产成本。,偷“电压”的后果,在一般的应用中,为了避免过大的漏电流,延长铝电解电容器
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电容器 开关电源
链接地址:https://www.31ppt.com/p-6131180.html