電力電子電路與電容器

1、電力電子電路與電容器1電力電子電路中電容器的作用整流濾波（平滑）直流支撐與直流鏈電源旁路緩沖與箝位LC諧振高頻整流濾波電源電磁干擾的抑制脈沖放電儲能耦合電容器2電路電子電路對電容器的要求足夠的直流或交流額定電壓足夠的連續(xù)電流或脈沖電流承受能力足夠的電容量足夠的介電強度足夠的浪涌電壓的耐受程度滿足需要的頻率特性盡可能低的ESR滿足要求的壽命3作用與性能要求4整流濾波電容器作用：將整流后的脈動交流電平滑為平滑的直流電。性能要求：濾波電容器將流過比較大的紋波電流，對于電容輸入式濾波尤為明顯。5輸入整流濾波電容器1. 平滑整流輸出電壓（整流濾波）；2. 吸收工頻紋波電流和逆變器的開關成份電流；3. 工

2、頻整流濾波需要濾波電容器具有很大的電容量，因此，多數(shù)情況下只能選用電解電容器。6單相整流濾波對電容器電容量的要求對于一般的開關功率變換器對整流輸出電壓紋波電壓要求電容量：220V交流輸入條件下，需要濾波電容器為1F/ W ； 85264V交流輸入條件下，需要濾波電容器為3F/ W 。7單相整流濾波對電容器耐壓的要求耐壓要求：一般情況下，選額定電壓400VDC帶有PFC功能的情況下，選額定電壓450VDC8為什么PFC要用450V耐壓要求？一般PFC輸出電壓為380420V低于耐壓400V鋁電解電容器的440450V浪涌電壓原因：漏電流隨電壓升高，特別是在高溫下漏電流急劇增加壽命急劇縮短9單相整

3、流濾波對電容器的要求10單相整流濾波對電容器的要求11單相整流濾波對電容器的要求12濾波電容器吸收的紋波電流對于電容輸入式濾波，濾波電容器吸收的紋波電流有效值大約為整流輸出電流平均值的23倍！大約為1520mA/W。不同的電路拓撲所產生的開關頻率的紋波電流是不一樣的。反激式開關電源約為12mA/W；單管正激式開關電源約為10mA/W；橋式、推挽式開關電源約為7mA/W。13電解電容器能夠承受的紋波電流一個400V/100F爪式引腳電解電容器允許流過的紋波電流在0.7A左右，其額定紋波電流承受值僅能滿足60W以下的開關電源的濾波要求；一個400V/470F爪式引腳電解電容器允許流過的紋波電流在1

4、.7A左右，僅能滿足150W以下的開關電源的濾波要求；按1 F/ W的選擇將不能滿足電容器所能承受的紋波電流要求，至少要達到3F/ W 。14影響電解電容器壽命的因素環(huán)境溫度，溫度每上升810攝氏度壽命減半；紋波電流在ESR上產生損耗轉化為熱，使電解電容器內部溫度升高；電容器被施加過高的電壓導致漏電流過大而導致的損耗產生的發(fā)熱。15電解電容器溫度、紋波電流與壽命的關系16電解電容器溫度、紋波電流與壽命的關系解析不可逾越的極限區(qū)域紋波電流過大將導致壽命的縮短降低環(huán)境溫度可以延長壽命溫度升高將導致漏電流的上升17400V/100F典型電解電容器的參數(shù)額定紋波電流：約0.7A；ESR：約1.52歐姆

5、；在額定紋波電流時，所產生的損耗接近1W；熱阻：在自然對流狀態(tài)下大約為每瓦上升2530攝氏度，其中外可到環(huán)境的熱阻占整個熱阻的3/44/5。很顯然，電解電容器的散熱能力非常差！18電解電容器損耗的減小電解電容器的電容量增長速度高于ESR下降速度，因此多只電解電容器并聯(lián)有利于ESR的減?。徊捎秒姼休斎胧綖V波方式可以大大降低整流濾波的紋波電流；選用開關紋波電流低的開關電源電路拓撲可以有效地降低開關電源所產生的紋波電流。19電解電容器串聯(lián)時需要采取均壓措施半橋變換器可以使串聯(lián)的電容器自動均壓；單端變換器、全橋變換器、推挽變換器中的串聯(lián)電容器必須采用均壓措施20溫度對電解電容器的影響電解電容器的紋波電

6、流隨溫度上升而降低電解電容器的ESR隨溫度的上升而降低，零下20攝氏度時的ESR是常溫的10倍或更高電解電容器的漏電流隨溫度的上升而增加電解電容器的壽命雖溫度的上升而減少，即使在沒有加電或存儲狀態(tài)21紋波電流對電解電容器的影響額定電流以下的紋波電流對電解電容器的影響比較小過大的紋波電流將導致電解電容器壽命急劇縮短22電解電容器的賦能電解電容器出廠前或存儲時間過長需要賦能，以修復電解電容器的氧化鋁介質膜簡單的方法是：電解電容器串聯(lián)一個適當?shù)碾娮?，逐漸增加施加的電壓，在施加電壓達到額定電壓一半時，維持數(shù)小時。在逐漸加到額定電壓，維持數(shù)小時至兩天23購買電解電容器需要注意的問題電子市場的電解電容器可

7、能有以下嫌疑：套膜電容器偷電壓問題漏電流問題為確保電解電容器的質量，電解電容器應到正牌的生產廠商購買24測試鋁電解電容器耐壓的簡單方法可能性：鋁電解電容器的介質膜是通過陽極氧化方式獲得，因此，短時間的小電流“擊穿”不會損壞鋁電解電容器基本方法：將鋁電解電容器串聯(lián)一10k電阻；緩緩增加所施加的電壓，保持充電電流在1mA以下（對應電阻上的電壓低于10V），直到即使不繼續(xù)增加所施加的電壓電流仍不降低時對應的電壓就是電解電容器的擊穿電壓；這個電壓的90%就是電解電容器的額定電壓這種方法只適用于鋁電解電容器25直流支撐與直流鏈作用：為后面的逆變器提供平滑穩(wěn)定的直流電壓，即支撐住直流電壓要求：需要足夠的電

8、容量需要盡可能低的ESR和ESL需要良好的頻率特性26電源旁路作用吸收逆變器產生的紋波電流，平緩由逆變器的開關過程造成的電壓尖峰要求：電容器需要承受比較大的紋波電流電容器需要盡可能低的ESR以及ESL不一定是非常大的電容量27緩沖與箝位28LC諧振作用：與電感形成串連諧振或并聯(lián)諧振工作狀態(tài)要求：足夠的交流承受電壓足夠的交流承受電流滿足頻率要求29高頻整流濾波作用：濾除高頻整流后的高頻紋波電流，平滑高頻整流輸出電壓要求：盡可能低的ESR盡可能低的ESL比較大的紋波電流承受能力30電源電磁干擾的抑制作用：有效的抑制來自電源或負載的電磁干擾的傳導要求：應承受電氣安全規(guī)則的浪涌電壓、過電壓的沖擊具有良

9、好的ESR、ESL、比較大的電流承受能力31脈沖放電主要應用：激光器、閃光燈、電火花加工、安全氣囊、除顫要求：足夠的儲能、強大的放電能力32儲能主要應用：電動汽車與混合動力汽車動力系統(tǒng)的啟動動力系統(tǒng)的助力33耦合電容器34GTO的緩沖與箝位作用與要求：耐壓、dv/dt 、峰值電流、有效值電流的承受能力35晶閘管換相與緩沖電路作用與要求：耐壓、dv/dt 、峰值電流、有效值電流的承受能力36電源濾波器中的電容器的技術要求電源濾波器中的電容器應能有效的濾除開關電源對電網的電磁干擾；用能承受來自電網的各種電壓沖擊；電容器自身的安全性；電路的電氣隔離的安全性。37浪涌電壓的耐受程度Y1、Y2電容器要承

10、受8kV、5kV的峰值脈沖電壓沖擊；X1、X2 電容器分別要承受4kV、2.5kV的峰值脈沖電壓沖擊；峰值脈沖電壓測試波形38耐電壓測試 X1、X2、X3；額定電壓： 500V；直流試驗4.3 UR（dc）；交流試驗2UR+1500 V(ac)最小值為2000V(ac)；YI、Y2、 Y3 ；額定電壓： 250 、150V 250V、 150V直流試驗電壓：4000V(dc)、1500V(dc)、900V(dc)；交流試驗：4000 V(ac) 、2UR+1500 V(ac)或最小值為2000V(ac)、4900 V(ac)39測試波形40幾種典型的X2、Y2電容器的dv/dt能力X2抑制電源

11、電磁干擾電容器電容量0.47 F ； dv/dt： 400 V/s ；0.22 F ； dv/dt：600 V/s ；Y2抑制電源電磁干擾電容器電容量0.047 F ； dv/dt：1000 V/s ；0.022 F ； dv/dt：1400 V/s ；0.01 F ； dv/dt：1400 V/s 。41X電容器、Y電容器是性能極好的電容器！42普通電容器是否可以替代安規(guī)電容器？不可以！理由？耐電壓測試不可能通過！普通電容器的耐電壓僅僅是額定電壓的1.52倍。43三、緩沖電容器與諧振電容器特點：可能承受很高的dv/dt，如每秒數(shù)百伏的電壓變化率；可能承受很高的峰值電流或均方根值電流；ESR應

12、盡可能的低；頻率可能很高；其中的電壓和電流均為有效值。44一般電容器的參數(shù)一般的薄膜電容器的額定dv/dt約為5V/s；為盡可能的減小體積，一般的薄膜電容器可以承受的峰值電流和均方根值電流比較?。灰话愕谋∧る娙萜鞯腅SR不是很低。以上特性主要表現(xiàn)在用于緩沖、諧振作用時的發(fā)熱現(xiàn)象。45一般的解決方法采用聚丙烯電容器；聚丙烯介質薄膜電容器的金屬膜比較厚，可以承受比較大的電流；采用金屬箔電容器；選用高dv/dt和高均方根值電流的電容器，即緩沖或諧振專用電容器。46四、耦合電容器足夠的耐壓盡可能低的漏電流穩(wěn)定的電容量低的損耗因數(shù)47五、輸出整流濾波電容器對輸出濾波電容器的基本要求：1. 在不太高的開關

13、頻率時，為了濾除開關頻率下的紋波電壓/紋波電流，需要考慮足夠的電容量，這時只能選擇電解電容器；2. 為了濾除更高頻率的紋波電壓/紋波電流，要求輸出整流濾波電容器應具有盡可能地的ESR、ESL。48常規(guī)電解電容器存在的問題低ESR鋁電解電容器的提出：常規(guī)鋁電解電容器的ESR太高，以1000F/16V鋁電解電容器為例，其ESR大約為0.25，在50kHz時的容抗為3.18m，遠低于ESR值，從濾除交流成分角度考慮，電解電容器已經成為“電阻”，決定濾波效果將不再是電容量而是ESR！針對上面問題，低ESR鋁電解電容器和鉭電解電容器問世。49低ESR鋁電解電容器低ESR鋁電解電容器的ESR可以比常規(guī)鋁電

14、解電容器低一個數(shù)量級，因而濾波效果可以改善一個數(shù)量級；低ESR鋁電解電容器同樣存在壽命問題特別是高溫條件下壽命更短的問題。50鋁電解電容器小結作為開關電源的輸出整流濾波電容器，電容量往往是首要的選擇，鋁電解電容器的電容量完全可以滿足要求，而ESR則相對比較高。可以通過多只并聯(lián)的方法降低ESR。也可以選擇更大的電容量來降低ESR。對于開關電源的輸出整流濾波來說，鋁電解電容器的應用實在是無奈的選擇！51鋁電解電容器的失效電解液干涸漏電流過大擊穿安全閥泄壓52鉭電解電容器電解電容器中的另外一種是鉭電解電容器。由于二氧化錳的電導率比電解液高一個數(shù)量級左右，鉭電解電容器的ESR明顯低于鋁電解電容器；鉭電

15、解電容器的低溫特性遠遠優(yōu)于鋁電解電容器。53多陽極鉭電解電容器具有更低的ESR多陽極鉭電解電容器的ESR可以是單陽極的鉭電解電容器的1/3。54應用鉭電解電容器時需要注意的問題55嚴禁過電壓鉭電解電容器的介質遭遇過電壓時將被擊穿，這一點是不同于鋁電解電容器的。56高溫時工作電壓必須降額鉭電解電容器的耐壓隨溫度上升而降低。57注意事項嚴禁撞擊嚴禁反極性58鉭電解電容器的應用也是一種無奈！59不同電解電容器濾波效果的比較測試電路60測試結果（1）61-20攝氏度的測試結果（1）62-20攝氏度的測試結果（2）63+70攝氏度的測試結果（1）64+70攝氏度的測試結果（2）65直流輸入的旁路效果測試

16、電路66無旁路電容器的測試結果67不同電容器在不同溫度下的測試結果68多層陶瓷電容器的問世改變了輸出整流濾波的效果69陶瓷電容器陶瓷電容器的特點：體積小，電容量大，可以在1206的封裝中得到100F的電容量；具有極低的ESR，可以低達10m以下；允許比較高的紋波電流；RSL低。70陶瓷電容器的ESR以1206封裝的X7R介質2.2F陶瓷電容器為例：ESR不高于30m；在溫升40攝氏度的條件下，允許流過2.23A紋波電流。RSL約為3nH。多只并聯(lián)可以得到更低的ESR。71陶瓷電容器需要注意的問題介質材料對性能的影響電容量與溫度的關系電容量與電壓的關系電容量的衰減72Y5V介質材料的性能Y5V介

17、質材料的陶瓷電容器電容量最高，但是受溫度、直流偏置電壓影響最大、電容量的衰減也最大。73Y5V介質材料陶瓷電容器的溫度偏置電壓與電容量的關系74X7R介質材料陶瓷電容器的溫度偏置電壓與電容量的關系75Y5V介質電容器的電容量與溫度的關系Y5V介質電容器的電容量的溫度很差76X7R介質電容器的電容量與溫度的關系X7R介質電容器的電容量的溫度特性相對好一些77X7R陶瓷電容器電容量的衰減高k值陶瓷電容器的電容量隨置放時間的增長有所下降；經過高溫后（介質的居里溫度以上，如用電烙鐵重新焊一下），電容量可以恢復78陶瓷電容器的失效斷裂：產生的原因主要：碰撞，如跌落；外界應力，焊在電路板上的陶瓷電容器在電路板彎曲時可能會斷裂；電路板的膨脹系數(shù)與陶瓷電容器的膨脹系數(shù)相差很大時，可能會因為溫度變換太大而斷裂，這種現(xiàn)象在大尺寸陶瓷電容器中尤為明顯。79六、旁路電容器旁路電容器的作用：降低直流母線阻抗，如DC/DC變換器的電源輸入旁路電容器。特點：需要有效的吸收由變換器產生的紋波電流，以穩(wěn)定直流母