關(guān)于電容器的發(fā)熱量

 

隨著電子設(shè)備的小型化，輕量化，部件的安裝密度高，放熱性低，裝置溫度易升高。尤其是功率輸出電路元件的發(fā)熱雖對設(shè)備溫度的上升有重要影響，但電容器通過大電流的用途(開關(guān)電源平滑用、高頻波功率放大器的輸出連接器用等)中起因于電容器損失成分的功率消耗變大，使得自身發(fā)熱因素?zé)o法忽視。因此應(yīng)在不影響電容器可靠性的范圍內(nèi)抑制電容器的溫度上升。

 

理想的電容器是只有容量成分，但實際的電容器包括電極的電阻因素、電介質(zhì)的損失、電極電感因素，具體可用圖1中的等價電路表示。

 

 

交流電流通過此類電容器時，會因電容器的電阻成分(ESR)，產(chǎn)生式1-1中所示的功率消耗Pe，則電容器發(fā)熱。

 

 

我們知道電容是儲能的，在理想電容儲能的過程中，進出的電流通過ESR（等效串阻）上消耗的能量就是產(chǎn)生的熱量。

 

電容器的發(fā)熱特性

     

此外，在電容率的電壓依賴性為非線形的高電容率類電容器中（電容的主要電氣特性為C，電容。而電容器的寄生參數(shù)如ESR、ESL相對影響較小），需同時觀察加在電容器上的交流電流與交流電壓。小容量的溫度補償型電容器應(yīng)具備100MHz以上高頻中的發(fā)熱特性，因此須在反射較少的狀態(tài)下進行測量。

 

1、電容器的發(fā)熱特性測量系統(tǒng)

 

高電容率類電容器（DC～1MHz區(qū)域）發(fā)熱特性測量系統(tǒng)的概略如圖.2所示。

 

用雙極電源將信號發(fā)生器的信號增幅，加在電容器上。用電流探頭（通用探頭）觀察此時的電流，使用電壓探頭觀察電容器的電壓。同時用紅外線溫度計測量電容器表面的溫度，明確電流、電壓及表面溫度上升的關(guān)系。

 

 

溫度補償型電容器（10MHz～4GHz帶寬）發(fā)熱特性測量系統(tǒng)的概略和測量狀態(tài)如圖.3所示。

 

 

組成系統(tǒng)的設(shè)備及電纜類均統(tǒng)一為50Ω，將測量試料裝在形成微帶線的基板上，兩端裝有SMA連接器。用高頻波放大器（Amplifier）增幅信號發(fā)生器（Signal GENERATOR）的信號，用定向耦合器（Coupler）觀察反射同時即施加在試料（DUT）上。用衰減器（Attenuator）使通過試料輸出的信號衰減，用電力計（Power Meter）觀測。同時觀測試料表面溫度。

 

2、電容器的發(fā)熱特性數(shù)據(jù)

 

作為高介電常數(shù)的片狀多層陶瓷電容器系列發(fā)熱特性的測量數(shù)據(jù)，3216型10uF的B特性6.3V的發(fā)熱特性數(shù)據(jù)、阻抗和ESR的頻率特性如圖.4所示。

 

 

表示100kHz、500kHz、1MHz中交流電流與溫度上升的關(guān)系和阻抗（Z）及ESR®與頻率的關(guān)系。可確認發(fā)熱特性按100kHz>500kHz>1MHz的順序逐漸變小。其實ESR與C進行分壓，頻率變高時，C的阻抗變大，ESR的分壓變化（此處分析電流也是一樣的變化趨勢），同時ESR本身也有變化（右圖中的綠色曲線）。頻率越高，

 

此外，ESR在100kHz時為10mΩ，在500kHz時為6mΩ，在1MHz時為5mΩ，可確認不同頻率的等效電阻的變化，影響發(fā)熱特性。

 

電源設(shè)計中的電容發(fā)熱計算

 

在電源設(shè)計中，紋波是導(dǎo)致電容自發(fā)熱的原因之一，電容起著電荷庫的作用，當(dāng)電壓增加時，它們被充電；電壓降低時，它們向負載放電；它們實質(zhì)上起著平滑信號的作用。當(dāng)電容受到紋波電壓非直流電壓時，電容將經(jīng)歷變化的電壓，并根據(jù)施加的電源，還可能有變化的電流，以及連續(xù)和間歇性的脈動功率。無論輸入形式為何，電容電場經(jīng)歷的變化將導(dǎo)致介電材料中偶極子的振蕩，從而產(chǎn)生熱量。這一被稱為自發(fā)熱的反應(yīng)行為，是介電性能成為重要指標(biāo)的主要原因之一，因為任何寄生電阻(ESR)或電感(ESL)都將增加能耗。

 

理論上，一個完美的電容，自身不會產(chǎn)生任何能量損失，但是實際上，因為制造電容的材料有電阻、電感，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е码娙葑兊貌?ldquo;完美”。一個不“完美”的電容其等效電路可看成由電阻、電容、電感組成，如下圖為一個不“完美”的鉭電容，其等效電路由電阻、電容、電感、二極管串并聯(lián)電路組成。
 

（鋁電解電容有近似的特性）

 

 

ESR、Z與頻率關(guān)系曲線

 

由上圖可知，該鉭電容器SRF（自諧振頻率）在500KHz左右，該點Z值最小，諧振頻率點之前電容呈容性，諧振點之后電容呈感性，也就是說在頻率很高，超過電容自諧振頻率的情況下，電容就不在是"電容"了 ，此時的功率損耗主要由電容的寄生電感引起，P耗=I2rms·2πf·L，所以高頻下，低ESR、ESL電容的發(fā)熱少。

 

電容電介質(zhì)很薄，就電容的總質(zhì)量來說，它可能僅占一小部分，所以在評估波紋時，也需考慮其結(jié)構(gòu)中所用的其它材料。例如，無極性電容(如陶瓷或薄膜電容)中的電容板是金屬的；而極性電容(如鉭或鋁)，具有一個金屬陽極(而在鈮氧化物技術(shù)中，陽極是導(dǎo)電氧化物)和一個電解質(zhì)陰極(如二氧化錳或?qū)щ娋酆衔?。在內(nèi)外部連接或引腳上，還有各種導(dǎo)電觸點，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導(dǎo)電環(huán)氧樹脂等都會增加阻抗成份，當(dāng)AC信號或電流通過這些材料（材料阻抗成份即電容器等效串聯(lián)電阻ESR）時，它們都會有一定程度的發(fā)熱。

 

要了解這些因素如何發(fā)揮作用，我們以使用固體鉭電容器在直流電源輸出級平滑殘留AC紋波電流為例。首先，由于它是有極性電容器，所以需要一個正電壓偏置，以防止AC分量引起反向偏壓情況的發(fā)生。該偏置電壓通常是電源的額定輸出電壓。

 

 

紋波電壓疊加在偏置電壓上

 

Voltage:電壓 Time:時間

 

鉭電容紋波發(fā)熱是由于通過鉭電容的紋波電流在鉭電容等效串聯(lián)電阻上生產(chǎn)了功率損耗。我們看由在給定頻率下電流的紋波值在鉭電容等效串聯(lián)電阻產(chǎn)生的功耗(等于I2R，其中“I”是電流均方根[rms])。

 

P耗=I2rms·ESR（由紋波電流引起的功耗）

 

Irms：一定頻率下的紋波電流，ESR：電容等效串聯(lián)電阻。

 

我們以考察一個正弦紋波電流及其RMS等效值入手。如果在某一頻率，我們使一個1A Irms的電流流經(jīng)一個100mΩESR的電容，其產(chǎn)生的功耗是100mW。若連續(xù)供電，基于電容元件結(jié)構(gòu)和封裝材料的熱容量、以及向周圍散熱所采取的所有措施(例如：對流、傳導(dǎo)和輻射的組合)，該電流將使電容在內(nèi)部發(fā)熱，直到它與周圍環(huán)境達到平衡。

 

電容發(fā)熱的次要因素

 

另外在我們考慮紋波前，我們必須注意由施加的直流偏壓產(chǎn)生的發(fā)熱。電容不是理想器件，一種寄生現(xiàn)象是跨接介電材料的并聯(lián)電阻（RLi），該電阻將導(dǎo)致漏電流的發(fā)生。這個小DC電流會導(dǎo)致發(fā)熱，但是不像其它典型應(yīng)用的紋波狀態(tài)，該發(fā)熱通常可忽略不計。電容漏電流引起的功耗可由下式計算：

 

P耗=I2DCL·R（由漏電流引起的功耗）

 

IDCL：指鉭電容漏電流， R：是跨接介電材料的并聯(lián)電阻(近似于鉭電容絕緣電阻)

 

如圖1中100uF/16V鉭電容等效電路的絕緣電阻RLi等于1.1MΩ,在室溫下，其IDCL不超過10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗約為0.11mW，在這種情況，紋波發(fā)熱是DC漏電流發(fā)熱的1000倍，因此后者(如前所述)可以忽略不計。

 

當(dāng)工作電壓超過電容最大承受電壓、極性電容反向、電容器介質(zhì)絕緣性能下降等情況使用，此時電容發(fā)熱主要由漏電流引起，如下圖以電解電容為例說明。

 

電解電容器為極性電容，因電解電容器介質(zhì)氧化膜具有單向?qū)щ娦裕聢D為電解電容介質(zhì)氧化膜耐壓與漏電流伏安特性曲線圖，與二極管伏安特性圖類似。

 

電解電容器介質(zhì)氧化膜V-I特性曲線圖

 

圖6為電解電容器介質(zhì)氧化膜V-I特性曲線圖，決定了電解電容器單向?qū)щ娦裕怯袠O性電解電容器。由于陰極箔表面有自然氧化的氧化膜，可耐極低的反向電壓。給電解電容器加反向電壓，會造成電解電容器陽極表面介質(zhì)氧化膜擊穿、破損，且在反向電流作用下破損的介質(zhì)氧化膜無法修復(fù)，導(dǎo)致介質(zhì)氧化膜絕緣性能下降，電解電容器內(nèi)部漏電流DCL會急劇增大，內(nèi)部漏電流DCL通過絕緣電阻會產(chǎn)生功率損耗，最終導(dǎo)致電解電容器發(fā)熱。可以說漏電流是衡量電容器介質(zhì)絕緣性能好壞的標(biāo)志，對于一些精密電路和漏電流敏感電路使用電容器時，檢測電容的漏電流或絕緣電阻是不可忽略的。

 

 

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