KNSCHA电解电容发热的原因是什么 详解电解电容发热之缘由
作者:admin
发布日期:2020-01-02

       

  本文主要介绍的是关于电解电容发热原因解析,探讨了电解电容发热的主要因素,希望本文能让你对电解电容法发热现象有更全面的理解。

  电解电容是电容的一种,金属箔为正极(铝或钽),与正极紧贴金属的氧化膜(氧化铝或五氧化二钽)是电介质,阴极由导电材料、电解质(电解质可以是液体或固体)和其他材料共同组成,因电解质是阴极的主要部分,电解电容因此而得名。同时电解电容正负不可接错。铝电解电容器可以分为四类:引线型铝电解电容器;牛角型铝电解电容器;螺栓式铝电解电容器;固态铝电解电容器。

  电解电容器通常是由金属箔(铝/钽)作为正电极,金属箔的绝缘氧化层(氧化铝/钽五氧化物)作为电介质,电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液(液态电解质)的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成;钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。由于均以电解质作为负电极(注意和电介质区分),电解电容器因而得名。

  有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。一般不能用于交流电源电路,在直流电源电路中作滤波电容使用时,其阳极(正极)应与电源电压的正极端相连接,阴极(负极)与电源电压的负极端相连接,不能接反,否则会损坏电容器。

  电解电容器广泛应用于家用电器和各种电子产品中,其容量范围较大,一般为1~33000μF,额定工作电压范围为6.3~700V。其缺点是介质损耗、容量误差较大(最大允许偏差为+100%、-20%),耐高温性较差,存放时间长容易失效。

  电解电容的极性,注意观察在电解电容的侧面有“-”是负极、“+”是正极,如果电解电容上没有标明正负极,也可以根据它的引脚的长短来判断,长脚为正极,短脚为负极。

  纹波的定义是指在直流电压和电流中,叠加在直流稳定量上的交流分量。在评估纹波时,通常围绕纹波电压和纹波电流这两个组成部分来进行。在大多数应用中,纹波和噪声是工程师要最大限度抑制的一种电路状态。例如,在将交流电源转换成稳定直流输出的AC-DC转换器中,要竭力避免AC电源会以一种小幅、根据频率的变化信号叠加在DC输出之上的一种现象。另外,对采用钽、铝和铌氧化物等有极性的电容器来说,还有另一个需特别注意的地方:不要让纹波电压的最小值掉到零电位以下,因为这将导致有极性电容工作在反向偏压条件。

  纹波是导致电容自发热的原因之一,电容起着电荷库的作用,当电压增加时,它们被充电;电压降低时,它们向负载放电;它们实质上起着平滑信号的作用。当电容受到纹波电压非直流电压时,电容将经历变化的电压,并根据施加的电源,还可能有变化的电流,以及连续和间歇性的脉动功率。无论输入形式为何,电容电场经历的变化将导致介电材料中偶极子的振荡,从而产生热量。这一被称为自发热的反应行为,是介电性能成为重要指标的主要原因之一,因为任何寄生电阻(ESR)或电感(ESL)都将增加能耗。

  理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻、电感,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不“完美”。一个不“完美”的电容其等效电路可看成由电阻、电容、电感组成,如下图为一个不“完美”的钽电容,其等效电路由电阻、电容、电感、二极管串并联电路组成。

  由上图可知,该钽电容器SRF(自谐振频率)在500KHz左右,该点Z值最小,谐振频率点之前电容呈容性,谐振点之后电容呈感性,也就是说在频率很高,超过电容自谐振频率的情况下,电容就不在是电容了 ,此时的功率损耗主要由电容的寄生电感引起,P耗=I2rms·2πf·L,所以高频下,低ESR、ESL电容的发热少。

  电容电介质很薄,就电容的总质量来说,它可能仅占一小部分,所以在评估波纹时,也需考虑其结构中所用的其它材料。例如,无极性电容(如陶瓷或薄膜电容)中的电容板是金属的;而极性电容(如钽或铝),具有一个金属阳极(而在铌氧化物技术中,阳极是导电氧化物)和一个电解质阴极(如二氧化锰或导电聚合物)。在内外部连接或引脚上,还有各种导电触点,包括金属(如:铜、镍、银钯和锡等)和导电环氧树脂等都会增加阻抗成份,当AC信号或电流通过这些材料(材料阻抗成份即电容器等效串联电阻ESR)时,它们都会有一定程度的发热。

  要了解这些因素如何发挥作用,我们以使用固体钽电容器在直流电源输出级平滑残留AC纹波电流为例。首先,由于它是有极性电容器,所以需要一个正电压偏置,以防止AC分量引起反向偏压情况的发生。该偏置电压通常是电源的额定输出电压。

  钽电容纹波发热是由于通过钽电容的纹波电流在钽电容等效串联电阻上生产了功率损耗。我们看由在给定频率下电流的纹波值在钽电容等效串联电阻产生的功耗(等于I2R,其中“I”是电流均方根[rms])。

  我们以考察一个正弦纹波电流及其RMS等效值入手。如果在某一频率,我们使一个1A Irms的电流流经一个100mΩESR的电容,其产生的功耗是100mW。若连续供电,基于电容元件结构和封装材料的热容量、以及向周围散热所采取的所有措施(例如:对流、传导和辐射的组合),该电流将使电容在内部发热,直到它与周围环境达到平衡。

  另外在我们考虑纹波前,我们必须注意由施加的直流偏压产生的发热。电容不是理想器件,一种寄生现象是跨接介电材料的并联电阻(RLi),该电阻将导致漏电流的发生。这个小DC电流会导致发热,但是不像其它典型应用的纹波状态,该发热通常可忽略不计。电容漏电流引起的功耗可由下式计算:

  如图1中100uF/16V钽电容等效电路的绝缘电阻RLi等于1.1MΩ,在室温下,其IDCL不超过10uA(100uA@85℃),所以其最大功耗约为0.11mW,在这种情况,纹波发热是DC漏电流发热的1000倍,因此后者(如前所述)可以忽略不计。

  当工作电压超过电容最大承受电压、极性电容反向、电容器介质绝缘性能下降等情况使用,此时电容发热主要由漏电流引起,如下图以电解电容为例说明。

  电解电容器为极性电容,因电解电容器介质氧化膜具有单向导电性,下图为电解电容介质氧化膜耐压与漏电流伏安特性曲线图,与二极管伏安特性图类似。

  电解电容器介质氧化膜V-I特性曲线为电解电容器介质氧化膜V-I特性曲线图,决定了电解电容器单向导电性,是有极性电解电容器。由于阴极箔表面有自然氧化的氧化膜,可耐极低的反向电压。给电解电容器加反向电压,会造成电解电容器阳极表面介质氧化膜击穿、破损,且在反向电流作用下破损的介质氧化膜无法修复,导致介质氧化膜绝缘性能下降,电解电容器内部漏电流DCL会急剧增大,内部漏电流DCL通过绝缘电阻会产生功率损耗,最终导致电解电容器发热。可以说漏电流是衡量电容器介质绝缘性能好坏的标志,对于一些精密电路和漏电流敏感电路使用电容器时,检测电容的漏电流或绝缘电阻是不可忽略的。

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