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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。rifa铝电解电容器应用指南-铝电解电容器应用指南内容1、 铝电解电容器主要应用领域_32、 等效电路模型_33、 热传导等效电路模型及电容安装指南_34、 电容的串联和并联_55、 电容工作寿命计算_56、 电容失效的防范_77、 间歇负载的工作状态_88、 计算实例_99、 电容工作寿命的计算公式_13公司网址_14-1、 主要应用领域EVOXRIFA公司生产的铝电解电容主要种类，及相关应用领域如下:轴向穿心铝电解电容（PEG系列）通信，照明电子，汽车电子，电子镇流器及其它控制单元等。焊片和螺栓连接
2、式铝电解电容（PEH）系列电力电子工业变频驱动，牵引，焊接设备2、 开关电源，UPS等等效电路模型铝电解电容可以等效为：等效串联电阻（ESR），等效串联电感（ESL），纯电容（C）和等效并联漏电电阻（Rleak）。（其中等效并联漏电电阻的大小由电介质的特性决定）电容器经充放电以后，由于存在电介质的电场残余效应，部分场能仍将储存在电介质中，产生剩余电压。因此大容值铝电解电容器会在两极间跨接一短路放电电阻，以防意外。由于等效串联电阻（ESR）的存在，电流流过电容时，会产生一定的功率损耗。ESR值会随着电容“热点温度”的升高及电流频率的增加而减少。（“热点温度”是指电容绕组内部的最高温度）若电流由基
3、频和多次谐波构成，则须计算每次谐波产生的功率损耗值，并将计算结果相加以求得总损耗值。电容工作时的功率损耗会使其内部的温度上升，电容“热点温度”（Th）值将直接影响到电容器工作寿命(Lop)：热点温度越高，工作寿命越短。为计算“热点温度”（Th）值，就必须知道电容器的等效热阻（Rth）。3、 注意：在频率很高时，还应考虑到等效串联电感产生的热效应。电容的谐振频率(fR)，因电容器种类不同而不同。对于轴向穿心电容（PEG系列），谐振频率范围可从20kHz到1MHz以上；对于焊片式和螺栓连接式铝电解电容，谐振频率在1.5kHz至150kHz之间。如果电容器在高于谐振频率时使用，对外特性呈感性。热传导
4、等效电路模型及电容安装指南电容器内部的热量，总是从温度最高的“热点”向周围温度相对较低的部分传导。热量传递的途径有几种：其一是通过铝箔和电解液传导。如果电容被安装在散热片上，一部分热量还将通过散热片传递到环境中。从“热点”传递到周围环境中的总热阻用Rth来表示。以下图例1和2呈现的是：分别采用夹片安装和螺栓安装方式，将电容安装在热阻为2/W的散热片上，所得到的电容热阻值；图例3呈现的是采用螺栓安装方式，将电容安装在热阻为2/W散热片上、强迫风冷速率为2m/s时，所得到的电容热阻值。（以PEH200OO427AM型电容为例，环境周围温度为85）。另外将延长的阴极铝箔与电容器铝壳直接接触，也是很好
5、的降低热阻的方法。同时应注意铝壳会因此带负电，不能作负极连接。夹片安装方式：Rth=3.6/W螺栓安装方式：Rth=2.1/W螺栓安装方式：Rth=1.8/W电容必须正确安装才能达到它的设计工作寿命。PEH169系列和PEH200系列应该竖直向上安装或者水平安装。同时确保安全阀朝上，这样热的电解液及蒸气才能在电容失效的情况下，从安全阀顺利排出。请看下图中安全阀的朝向。正确的朝向不正确的方式相比较夹片安装方式，螺栓连接的铝电解电容与底部散热片之间的接触更紧密，从而散热更有效。（夹片安装的电容器往往与底部散热片之间存有一个空气间隙）相比较夹片安装，螺栓连接电容器的安装方式要方便得多。固定用尼龙螺母
6、的耐压从2.5KV到4kV不等。当电容排列很紧凑时相邻电容间至少应留出5mm的间隔以保证适量的空气流动。使用螺栓安装时，螺母扭矩的控制非常重要。如果拧得太松，则电容与散热片间就不能紧密接触；如果拧得太紧，又可能使螺纹损坏。同时应注意电容器不应倒置安装，否则可能造成螺栓的折断。PEG系列和PEH53X系列则可以任何方式安装，而不需要其它附件。PEG系列电容（轴向穿心电容）的外壳不能用塑料带紧固，否则可能造成电解液的泄漏。在高频应用中，电容两端引线应尽量短以减小等效电感。右下图为较佳的安装方式。PEG系列电容安装时应尽量远离发热元件，否则过高的温度会缩短电容器的使用寿命，从而使得电容器成为整个电路
7、中寿命最短的部件。在振动应用领域中（如汽车中），推荐使用PEG126系列。4、 电容的串联和并联若采用串联方式连接电容，需要注意铝电解电容器的分压问题。容值的误差可以使容值较小的电容分配到很高的电压，例如：两颗额定电压为350VDC,容值公差为+20%铝电解电容器串接，并在两端加载700VDC电压。那么在最糟糕的情况，一颗电容容值20%正偏差，另一颗为20%负偏差，负偏差的电容分配到的电压为：使用分压电阻是在各电容之间正确分配电压的一种较好的方式。分压电阻阻值的计算公式为：最好使用高品质的分压电阻，否则电阻的失效会导致电容因分压不均而击穿。在可靠性要求高的领域，电阻的发热功率应低于其额定值的5
8、0%。分压电阻间的阻值误差不应大于+5%，同时还要考虑阻容回路的充放时间常数，以防电压稳定时间过长。有两种方法连接分压电阻：在大电流的应用中，可以采用并联方式连接，但需确保分配到每个电容支路上的电流相等。在图1中，在高频应用时，电感可以导致每个电容上的电流分配不均匀。图2中，每个电容电流分配是相等的。使用低电感的母线棒能降低电感，可降至1nH。原则上，阴极应该设置在阳极上方。5、 电容工作寿命计算为计算电容工作寿命（LOP），必须知道：工作电压（Uapplied），电容流过的电流的有效值(IRMS)，环境温度(Ta)和热阻(Rth)。您可以从EVOXRIFA公司的销售机构得到本公司产品的ESR
9、值和热阻矩阵。首先，在ESR矩阵中，查出不同频率及热点温度(Th，假设值)时对应的“ESR”值，然后计算出IRMS流过时电容产生的“功率损耗（PLOSS）”。若IRMS由多次谐波构成，则需计算每次谐波产生的功率损耗并依次相加。电容绕组热点至环境温度的“热阻值”可以在热阻矩阵查出，由此可以计算出实际“热点温度(Th)”，若此实际值与先前选取ESR值时的假设值Th不符，则需修正假设，重新查出ESR值，重复叠代计算，直至结果吻合。得到正确的Th值后，就可利用下述公式很容易计算出电容工作寿命。本公司产品目录中会给出参数A和C值。铝电解电容的ESR与温度和频率有关。通常通常技术规格书中会给出20，100
10、Hz时的ESR值。利用ESR矩阵，能计算其它不同温度和频率时电容的ESR值。ESR矩阵部品号PEH200UV4680MB2等效串联电阻因子K为频率和绕组热点温度的函数。举例：计算热点温度为70和频率为800Hz时电容的ESR值。查矩阵中频率为0.80kHZ的一行和温度为70一列。查到的折算因子为0.46，再与标准ESR（20，100Hz）值相乘，可得实际对应ESR值。铝电解电容的热阻值取决于环境温度，铝壳温度，散热片的热阻值（如果有散热片），和电容周围强迫风冷速率。（如果没有强迫风冷，可假设空气流动速率为0.5m/s）。热阻矩阵部品号PEH200UV4680MB2电容热阻值是铝壳温度TC和风冷
11、速率V的函数（环境温度Ta=50，Rth-chassis=/W）。Rth:电容绕阻热点与周围环境之间的热阻Rthca:铝壳与周围环境之间的热阻举例：计算环境温度为50，铝壳温度为70和风冷速率为1.5m/s时电容的热阻值。查矩阵中温度为70的一行和风冷速率为1.5m/s的一列。查到Rth值为2.8，Rthca值为2.3。电容器寿命的终结，一般有如下标准：“漏电流IL”值的大小则取决于电解液性能的好坏。产品目录中给出了来自测试结果的失效概率。6、 电容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。UR额定电压US浪涌电压，1000个周期，无载330秒，带载30秒(
12、Us一般为110%115%倍UR)UT瞬态高电压LC滤波器中，开关动作时，也可能产生瞬时过电压。该瞬时过电压会对电容产生“过冲击”采用半导体元件的软开关技术可有效地防止瞬时过电压。整流器前的滤波器可滤除一些高速瞬时高压，但不可能全部。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。因此为避免类似的连接错误，电容器上正极会旋转90。超出额定值的电流会造成电容内部温升过高，而缩短其工作寿命。但如果纹波电流的持续时间与热传导时间常数相比更短，则不会对电容造成损害。电容内部的热点温度决定了电容器的工作寿命。可使用温度传感器测量电容工作时的内部温升。（温度传感器须直接接触电容铝壳）
13、7、 对于螺栓端连接铝电解电容器，可在电容内部插入热偶的方法测量。PEG126电容系列（汽车电子）的间歇负载电容不一定总是应用在连续负载状态下。对于间歇负载计算，我们采用以下的热传导模式：与绕组相对应的热量这个模式包括电容内部的热阻（Rthhc）和铝壳和周围环境之间的热阻(Rthca),还需要电容绕组和铝壳的热量。举例：热传导参数和ESR矩阵可以向我司索取。纹波电流：开状态：5分钟内20A，5kHz关状态：15分钟内无电流（周期时间：20分钟）环境温度：93无强迫风冷ESR=8.7m功率损耗：IRMsxESR=3.5W(“开”状态)参见第5章。有了给出的热传导参数和计算出的功率损耗，热点温度和
14、铝壳的温度就可以由计算机模拟计算出来。（例如：能量转换：将功率损耗转换到DC直流电流，温度转换为电压）：计算机模拟，热点温度(Th)和铝壳温度(Tc)：间歇工作时的技术规格极限l 与连续工作时的值（间歇最大为25%）比较，增加达95%的纹波电流。l 热点温度Th达135时，仍可以施以最大纹波电流l 100小时内，热点温度Th45,最大纹波电流工作寿命计算第5章中描述的电容工作寿命计算方式是基于电解液在持续工作期间扩散的基础上。扩散率是和计算的工作寿命LOP成反比。在间歇工作时的工作寿命是通过在一个温度循环期间的数值积分计算出的。工作寿命（LOP）-数值积分以上例子中的LOP：A=97kh,C=
15、11,Th与图表中的一致。8、 数值积分：LOP=12kh.最大Th=135(符合技术规格极限)计算实例铝电解电容常被用在整流模块后以平稳电压。控制某一纹波电压所需的电容容值为：P:负载功率（单位W）注意：这是应用所需要的最小电容容值。此外，电容容值有误差，在工作寿命期内，容值会逐步降低，随着温度降低，容值也会降低。必须知道主线及负载侧的纹波电流数据。可以首先计算出电容的充电时间。fmain是电网电流的频率。电容的放电时间则为：充电电流的峰值为dU是纹波电压（UmaxUmin）则充电电流有效值：接下来计算放电电流峰值和有效值。最后计算得出：整流模块后纹波电流：变频驱动连续电压：750VDC纹波
16、电流：60A4kHz75A8kHz50A12kHz30A16kHz20A32kHz要求容值：7000F允许公差：-10to+30%工作寿命：70000hours最高环境温度：70强迫风冷速率：2m/s散热片热阻：1.0/W因外接电压为750VDC，须使用两个电容串联来分压，同时考虑电容容值的误差，如果公差为+20%，那么最不理想的情况下，单一电容可能承受的最大电压为：可选用450V电容。如选用4700F的电容，则需并联三条支路以满足容值要求。PEH200YV447DQB2是很好的选择。首先计算ESR值，假设热点温度为85。再计算每个电容的功率损耗，我们有三条支路，通过每个电容的电流为总电流的三
17、分之一。现在可以计算出热点温度。从热阻矩阵中查到电容的热阻，散热片热阻为1.0/W，强迫风冷速率为2m/s。假设的热点温度为85，但这种型号的电容的ESR值在这个温度附近不会有很大差异，所以不再假设新的热点温度和计算新的热点温度。热点温度决定了电容的工作寿命。直径为75mm的PEH200450VDC型电容工作寿命计算公式如下：计算结果远低于设计要求。所以应改选四条支路：每小时失效率大约为。R(t)为能达到工作寿命的电容数量。假设使用80000个电容，还有多少可以达到57000小时的工作寿命，仍然继续工作呢？这说明2250个电容会失效，即占总电容数量的2.8%。电子镇流器工作电压：420VDC纹
18、波电流：130mA100Hz210mA25kHz150mA50kHz30mA75kHz要求容值：22F允许公差：-10to+30%工作寿命：50000hours最高环境温度：90PEG124YH2220Q(450VDC/22F)可满足以上要求。首先计算ESR值，假设热点温度为100。再计算功率损耗。现在可以计算出热点温度。从热阻矩阵中查到电容的热阻，假设在自然空气对流环境下（0.5m/s）。假设的热点温度为100，电容的ESR值在温度92和100时没有很大差异，所以也不用叠代计算。热点温度决定电容的工作寿命。直径为20mm的PEG124450VDC型电容工作寿命计算公式如下（以千小时为单位）：
19、电容能满足设计要求的工作寿命。每小时失效率大约为。R(t)为能达到工作寿命的电容数量。假设使用500000个电容，还有多少可以达到50000小时的工作寿命，仍然继续工作呢？这说明1000个电容会失效，即占总电容数量的2%。焊接设备连续电压：430VDC纹波电流：15A100Hz9A50kHz要求容值：1000F允许公差：+30%工作寿命：10000hours最高环境温度：60强迫风冷速率：1m/s基板插接电容在并联电路中采用三个电压450VDC，容值330F的PEH430YT3330M2型号的电容可处理纹波电流。热点温度为70时电容的ESR值再计算每个电容的功率损耗，我们有三条支路，通过每个电
20、容的电流为总电流的三分之一。计算热点温度，从热阻矩阵中查到电容的热阻，强迫风冷速率为1m/s。计算结果表明电容不能满足工作寿命10000小时的要求，必须设更多的支路或选用容值更大的电容，提高强迫风冷速率也是一种选择。汽车电子工作电压：14VDC纹波电流：3A20kHz要求容值：600F允许公差：-10to+30%工作寿命：2000hours最高环境温度：130由于汽车电子应用中有较高的震动，选用PEG126系列比较适合。我们以PEG126KG360EQL1为例。ESR（140，20kHz）=电容功率损耗为：假设没有空气流动，热阻将为34.3/W。电容能满足要求。不间断电源（UPS）连续电压：5
21、65VDC纹波电流：15A300Hz27A20kHz要求容值：1000F允许公差：-10+30%工作寿命：22000hours最高环境温度：60可选用两个电压350V的电容。如选用680F的电容串联，需三条支路。例如PEH200UG3680M。尺寸为50x49mm的PEH200系列电容工作寿命为：如果电容工作寿命要求为22000小时，最大热点温度为功率损耗为因有三条支路，所以电流分成三部分。电容热阻值为6.7/W.电容能满足要求。运算放大器直流电压：360VDC最大电压：361VDC最小电压：359VDC负载电流：250mA100Hz负载功率为所需电容容值为当主变压器卸载时，输出量能高出10%
22、以上，主功率也能增加10%。那么，电容的额定电压必须为360x1.1x1.1=436VDC选择用电压为450VDC的电容PEH200YL4150M比较好，额定容值为1500F。ESR值在20时小于43m。开始计算充电时间：放电时间为充电电流峰值为放电电流峰值为这个实例中，电容的功率损耗仅造成比环境温度高一点点的温升9、 电容工作寿命的计算RIFA的铝电解电容工作寿命计算PLOSS=电容的功率损耗Th=热点温度IRMS=有效电流Ta=环境温度ESR=等效串联电阻Rth=热阻LOP=预计工作寿命=计算实例（PEH200OO427AMB2）输入：环境温度=70纹波电流=30A（10kHz）工作电压=350VESR（85，10kHz）=4.6m热阻Rth=4.3/W计算：功率损耗=IRMSxESR=30x4.6x10=4.1W热点温度假设的热点温度85是可以的。（ESR值在温度为88和85之间没有很明显差异）输出：预计工作寿命Rth和ESR矩阵可向EVOXRIFA公司销售工程师索取10、公司网址在我们公司的主页，可下载相对于您的电力电子应用领域，能自动计算出最佳解决方案的CAD应用软件。