變流器直流母線鋁電解電容容值及壽命計(jì)算

作為電子產(chǎn)品的重要部件電解電容，在開關(guān)電源中起著不可或缺的作用，它的使用壽命和工作狀況與開關(guān)電源的壽命息息相關(guān)。在大量的生產(chǎn)實(shí)踐與理論探討中，當(dāng)開關(guān)電源中電容發(fā)生損壞，特別是電解電容冒頂，電解液外溢時(shí)，電源廠家懷疑電容質(zhì)量有問題，而電容廠家說電源設(shè)計(jì)不當(dāng)，雙方爭執(zhí)不下。以下就電解電容的使用壽命和使用安全作些分析，給電子工程師提供一些判斷依據(jù)。1阿列紐斯（Arrhenius）1.1阿列紐斯方程阿列紐斯方程是用來描述化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)速率隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。電解電容內(nèi)部是由金屬鋁等和電解液等化學(xué)物質(zhì)組成的，所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關(guān)。阿列紐斯方程公式：k=Ae—Ea/RT或Ink=lnA—Ea/RT（作圖法）?K化學(xué)反應(yīng)速率?R為摩爾氣體常量?T為熱力學(xué)溫度?Ea為表觀活化能?A為頻率因子1.2阿列紐斯結(jié)論根據(jù)阿列紐斯方程可知，溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率（壽命消耗）增大，一般來說，環(huán)境溫度每升高10°C，化學(xué)反應(yīng)速率（K值）將增大2-10倍，即電容工作溫度每升高10C，電容壽命減小一倍，電容工作溫度每下降10C，其壽命增加一倍,所以，環(huán)境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。2電解電容使用壽命分析1） 公式：根據(jù)阿列紐斯方程結(jié)論可知，電解電容使用壽命計(jì)算公式如下：I=Ll.,x210dc公式⑴?L環(huán)境溫度為T時(shí)電解電容使用壽命（hour）?L0最大溫度時(shí)電解電容的額定壽命（hour）?TO電解電容額定最高使用溫度（deg°C）?T環(huán)境溫度（deg°C）?T0-T溫升（deg°C）2） 分析：根據(jù)公式（1）可知當(dāng)電解電容工作溫度在最高使用溫度工作時(shí)（即TO=T）時(shí),由公式⑴計(jì)算得到電解電容最小使用壽命為L=L0x20=L0即等于額定壽命，比如8000小時(shí)，8000/8760=0.9年。當(dāng)電解電容工作溫度低于最高使用溫度10°C時(shí)，由公式⑴計(jì)算得到電解電容使用壽命為L=L0x2[T0-（T0-10°C）]/10°C=L0x21即等于額定壽命的2倍，即16000小時(shí),16000/8760=1.8264年。可見，電解電容使用壽命計(jì)算公式符合阿列紐斯方程結(jié)論3電解電容使用壽命計(jì)算在電子產(chǎn)品中，影響電解電容壽命的因素有環(huán)境溫度T和紋波電流Irms。電容承擔(dān)的負(fù)載功率與紋波電流成正比，負(fù)載越大，紋波電流越大（電解充放電越深），內(nèi)部氧化膜分解時(shí)發(fā)熱越厲害，修補(bǔ)時(shí)電解液消耗越多。見圖1紋波電流越大引起的發(fā)熱越大，所以紋波電流引起的發(fā)熱在電解電容壽命計(jì)算中要考慮。3.1紋波電流計(jì)算1）電容容量xP（U.xP（U.詠-U”山i）Xfg血2）充電時(shí)間arccos（3）放電時(shí)間

單位（°C/W）：3.3電解電容發(fā)熱公式6）紋波電流3.2功率損耗計(jì)算達(dá)到熱平衡時(shí)容器中心溫度T0和環(huán)境溫度T的溫升由散熱方式（空氣散熱、容器散熱）和耗散功率單位（°C/W）：3.3電解電容發(fā)熱公式6）紋波電流3.2功率損耗計(jì)算?ST加紋波電流I時(shí)電解電容自身發(fā)熱（deg°C）?I實(shí)際工作紋波電流（Arms）,?P散熱系數(shù)（W/°CCm2）?S電解電容的表面積（cm2）?R電解電容等效阻抗（ESRQ）3.4合成紋波電流計(jì)算因?yàn)閷?shí)際電路中，紋波電流包含有各種頻率波形的紋波電流,所以對實(shí)際電路紋波電流的計(jì)算應(yīng)該由合成紋波電流Irms得到：3.5額定工作溫度電解電容的行業(yè)規(guī)定，在額定溫度TO下，加上允許額定紋波電流I產(chǎn)生的最大發(fā)熱△t<5deg°C因此實(shí)際紋波電流為Ir時(shí)，電容器自身的發(fā)熱是degr?△t為額定溫度下加上額定紋波電流時(shí)電容器允許最大溫升（deg°C）Ir電容器額定紋波電流（Arms）I為（計(jì)算的）實(shí)際工作紋波電流（Arms）3.6電解電容壽命計(jì)算由上面的分析可知，考慮紋波電流后的電解電容的壽命計(jì)算公式最后為:（To-M-iT+AT）r—Ixxoio&c?TO為額定溫度（比如105°C）?△t為額定溫度時(shí)最大允許溫升5C?T為環(huán)境工作溫度（比如55C）?△T為T溫度時(shí)紋波電流產(chǎn)生的發(fā)熱值（比如20C）3電解電容使用壽命計(jì)算一電容ED33uF/200V/105°C,額定壽命L0=8000小時(shí)，允許紋波電流l=195mA/120Hz,在環(huán)境為55C的110V/60HZ電路中應(yīng)用。1?三角波V也二R尹.=。百⑹1732=O3S4(A)=咖(心側(cè)隔2?弦波合成發(fā)熱AT^At^-)2=5x =20eC5?壽命1)不考慮紋波電流的使用壽命L=L〃2航=8000x210 =256000(11)=292(<p)2)考慮紋波電流的實(shí)際使用壽命5結(jié)論由上面例子計(jì)算可知，紋波電流對電解電容壽命的影響是非常大的,電路工程師在設(shè)計(jì)使用電解電容時(shí)，不但要考慮電容工作的環(huán)境溫度，還要考慮電路紋波電流對電解電容壽命帶來的影響，盡可能的延長電解電容的使用壽命。電路呈容性或強(qiáng)感性會(huì)影響到三極管等安全切換，使晶體管損耗加重，發(fā)熱增大，并在電解電容上疊加有很高的單尖鋒紋波電流，充放電紋波電流變窄變高，最后使電解電容嚴(yán)重發(fā)熱直至損壞，表現(xiàn)為冒頂、冒汽、漏液或爆炸。盡量選擇質(zhì)量好的電解電容，密封性能好的電容，切不可使用壽命減半的拆件電解電容。給電解電容一個(gè)安全的工作環(huán)境，合理的設(shè)計(jì)，才是解決電解電容冒頂、冒汽、漏液以延長壽命的解決之道LxJitetirre<hours)ofthecapacitortoteestirriatec計(jì)算立式得出門壽命值LD=t：<i$einsured:ifetime(hourscrt餐capacitor保訃券命值To二「加閃rriumratedoperatngieniper3turef*C;餵高頷宜丁作強(qiáng)區(qū)'T滬Aul騙Iambi^nliempt?ratursuflhs「日fj兀MwilhirMwe[thifiisnottheerwironmeriltemperjureofiheJe/icebuttheemitorimenttemperatureoft^iecapa匚ito「thathasbee'iplacedwithint^ede^/ice)皺直內(nèi)的電容器實(shí)陥環(huán)境溫度GE蚯直的溫虧而是裟直成電容器的溫龍)ATq=RsbinCDretem^eratdrsofthecscastojduetorat?1畔erniSzitilemaxiriLiinnpphttii'-snl紋農(nóng)電流升到頗左最人值時(shí)鎖燼的電容器芯子湼壬ATX=Actuslrseirthec?_9tsnperatur?orttKca^crtorduelosctJEil「吊|；口curentmt寸斛氓^peratns:pndition;廊亙內(nèi)工作棗件T也U維液電蔬麗垃的屯客雷芯孑富曲OfoCEilculatetheAI.：frcmthesurcceleni^ensturEofthecapacitorredsrtathetat-lebelo^已如電容羔面盂度時(shí).騎用下直的總弍計(jì)恵血WhE「iH's"and"Tkiskno^nie!曰tnthe電bl邑H別朗:豈已礦站和可申P(guān)公T-算出八為ALc=(T5-L<)kKcWhsraTs—SurfacetfimpfliahrFnzthT訕minum~afi=Tk-Actjalqmmgri：l卽iiREryuE-stthet3pa:rtor電垂器冊冥陪環(huán)境逞廈Ke-Coerfficientstmndiiigforihenhcorf(heATxtathei'Ts-Ts；fortheKC'sPrefer1cthetabletetowKcAT盤KC寫時(shí)(T?Th)的J-LlQOWe)a(j0125a>lB■122■T30035Kg1%1iri.2u1.251.3C1.351431fO1.65TocalculateiheiT：fromtheaciualrmsrippleofthecapacitorrefertcthatableb沁y已知咒際泌電涕時(shí)，請耳下面的￡犬計(jì)算弦蟲血'■/'■/henkisknc//nuaatheFolo^injequationtcBStiiriate用豈已珀實(shí)際紋液電濟(jì)'IhBJ也「：可甲下面計(jì)斑公4.ATx=ATo>"燈1叫￡Wherelo=ratednnsIpple劭定藪渡電流lx=As1ualrmsrioplc奚際蚣波電顓Thp口匚tualandratEdniaxinnimrrri^rpplEcurrenlshallbpsqjalEdinfipquE^cyhyUEingrreciiEncyitiliHplii?百2f￡strbedforpreductmb「蔭営intheca:a^cf冥馬城泯電蠱和甑宦谿喪電;ft需用產(chǎn)品目勰曲前頻率蔡敢蒔換咸相同頻率.ATX=Actua：risein-hrcor&tflmpAratirenfThecaoa'itord舊tnarn11npplq-iit#ntsidfivn-cp^rarirgcondiiiorw胞加致筱電贏而引起曲屯客器芯孑思卄.公式;L=Lbxf(T)xf(J)苴中;FKiE-s-Taf(T)=210L；Lb-f(T>f0)Tmss；TasTciATjq：nn=2-所幾m2Tynx-Ta

ID注,-"■f1022：^：1I.SA；實(shí)際使用時(shí)的平均壽命基本壽命周圍溫度加速系數(shù)紋菠電流加速系和最高工作蠱度實(shí)聞環(huán)墳溫度電容表面溫度應(yīng)用在最大允許紋披電流時(shí)的內(nèi)部溫升內(nèi)部4S升與表面溫升的比値實(shí)際紋菠電流最大容許紋被電毓湼度系數(shù)A:TemperaturefactorswhenacceleratWhen-aTj<20：A=10-0.25^^TjCZ\T