【導(dǎo)讀】我們一般討論電容的時候會關(guān)注電容的溫度特性,即:溫度對容值等參數(shù)的影響。但是我們知道電容本身也是會發(fā)熱的:只要有電阻,又有電流,就會有電能轉(zhuǎn)化為熱能。
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(shí)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(jìn)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?。柰瑫r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(bǔ)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(jìn)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(bǔ)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??纱_認(rèn)發(fā)熱特性按100kHz>500kHz>1MHz的順序逐漸變小。其實(shí)ESR與C進(jìn)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(rèn)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(fù)載放電;它們實(shí)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(shí)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(diǎn)Z值最小,諧振頻率點(diǎn)之前電容呈容性,諧振點(diǎn)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(diǎn),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(dá)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??珊雎圆挥?。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?,下圖為電解電容介質(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??梢哉f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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