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开关电源中的电解电容器的选择与应用陈永真辽宁工业大学0416chenyongzhen@163.com13841685729电解电容器是开关电源中的非常关键的元件通常,开关电源的可靠性取决于电解电容器的性能与选择电解电容器可以分为铝电解电容器、钽电解电容器和聚合物电解电容器铝电解电容器又可分为高频低阻抗电解电容器,主要用于开关电源输出滤波,以及DC/DC变换器和高电源纹波电流电子线路的电源旁路高压电解电容器,主要用于开关电源输入整流滤波聚合物电解电容器:,主要用于开关电源输出滤波普通用途电解电容器,主要用于一般低电压50Hz的整流滤波,电子线路的电源旁路钽电解电容器主要有“标准”钽电解电容器,一般性能的开关电源整流输出和电子线路电源旁路低阻钽电解电容器,可以使整流输出滤波性能比“标准”钽电解电容器好,可以承受更高的纹波电流超低阻钽电解电容器,性能比低阻钽电解电容器还好,特别适用于高频DC/DC模块聚合物钽电解电容器,只是很低电压的应用,具有电解电容器最低的阻抗喝醉高的纹波电流承受能力应用铝电解电容器必须考虑的问题铝电解电容器的失效一、铝电解电容器失效的最主要原因电解液干涸!1、电解液干涸的原因电解液自然挥发电解液的消耗电解液自然挥发电解液的挥发速度随温度的升高电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关,无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性电解液的消耗漏电流所引起的电化学效应消耗电解液铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少漏电流随温度的升高而增加:25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加:耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命2、影响铝电解电容器寿命的的因素(温度1)根据铝电解电容器的电解液的不同,铝电解电容器的最高工作温度可分为:一般用途:85℃一般高温用途:105℃特殊高温用途:125℃汽车发动机舱:140~150℃影响铝电解电容器寿命的的因素(额定寿命小时数)按寿命小时数铝电解电容器可以分为:一般用途(常温,3年以内):1000小时一般用途(常温,希望比较长的时间):2000小时以上工业级:更长的寿命小时数影响铝电解电容器寿命的的因素(温度2)温度每升高10℃,寿命小时数减半影响铝电解电容器寿命的的因素(电解液)电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命影响铝电解电容器寿命的的因素(应用条件)高温缩短铝电解电容器寿命高纹波电流缩短铝电解电容器寿命工作电压过高缩短铝电解电容器寿命二、影响铝电解电容器寿命的参数与应用条件工作电压与漏电流的关系工作电压与漏电流的关系CDE生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系温度与漏电流的关系CDE生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响以EPCOS的B43697电子镇流器用铝电解电容器为例。在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同EPCOS的B43697电子镇流器用铝电解电容器降额寿命特性EPCOS的B43697电子镇流器用铝电解电容器的过电压寿命特性铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系!三、开关电源中的铝电解电容器1输入整流滤波2输入旁路3输出整流滤波(一)输入整流滤波电容器的作用1平滑整流后电压,需要足够的电容量、吸收来自于整流输出的纹波电流2平滑并支撑PFC输出电压3为后面的逆变器提供低阻抗,旁路来自于逆变器高频纹波电流(二)输入整流滤波电容器需要多高耐压?85~264V交流输入对应最高整流输出电压约370V可以选择耐压为400V的铝电解电容器带有PFC的整流滤波输出电压380~420V,以选择耐压为450V的铝电解电容器为什么不能用400V耐压的铝电解电容器?主要考虑的是高温下在额定电压或高于额定电压尽管铝电解电容器可以工作,不会击穿,但是由于在高温下漏电流的高幅值漏电流会明显缩短铝电解电容器的寿命(三)工频输入整流滤波电容器的选择从整流滤波角度考虑滤波电容器整流滤波所需要的电容量;对于一般的开关电源对整流输出电压纹波电压要求考虑:220V交流输入条件下,需要滤波电容器为1μF/W;85~264V交流输入条件下,需要滤波电容器为3μF/W。滤波电容器吸收的纹波电流对于电容输入式滤波,滤波电容器吸收的纹波电流有效值大约为整流输出电流平均值的2~3倍!大约为15~20mA/W。不同的电路拓扑所产生的开关频率的纹波电流是不一样的。反激式开关电源约为12mA/W;单管正激式开关电源约为10mA/W;桥式、推挽式开关电源约为7mA/W。电解电容器能够承受的纹波电流一个400V/100μF爪式引脚电解电容器允许流过的纹波电流在0.5~0.7A左右,其额定纹波电流承受值仅能满足60W以下的开关电源的滤波要求;一个400V/470μF爪式引脚电解电容器允许流过的纹波电流在1.7A左右,仅能满足150W以下的开关电源的滤波要求;对于220V输入电压等级,按1μF/W的选择将不能满足电容器所能承受的纹波电流要求,至少要达到3μF/W。也可以采用多只小电容量电容器并联来满足纹波电流要求。例如3只400V/100μF爪式引脚电解电容器的纹波电流承受能力将比400V/470μF爪式引脚电解电容器大。(四)DC/DC变换器输入旁路电容器作用:电源旁路,阻止变换器产生的高频纹波电流进入供电电源(五)输出整流滤波电容器需要注意的问题输出整流滤波电容器对输出滤波电容器的基本要求:1.在不太高的开关频率时,为了滤除开关频率下的纹波电压/纹波电流,需要考虑足够的电容量,这时只能选择电解电容器;2.为了滤除更高频率的纹波电压/纹波电流,要求输出整流滤波电容器应具有尽可能地的ESR、ESL。常规电解电容器存在的问题低ESR铝电解电容器的提出:常规铝电解电容器的ESR太高,以1000μF/16V铝电解电容器为例,其ESR大约为0.25Ω,在50kHz时的容抗为3.18mΩ,远低于ESR值,从滤除交流成分角度考虑,电解电容器已经成为“电阻”,决定滤波效果将不再是电容量而是ESR!针对上面问题,低ESR铝电解电容器和钽电解电容器问世。低ESR铝电解电容器低ESR铝电解电容器的ESR可以比常规铝电解电容器低一个数量级甚至两个数量级,因而滤波效果可以改善一个数量级;低ESR铝电解电容器同样存在寿命问题特别是高温条件下寿命更短的问题。四、输出滤波电容器与电路拓扑的关系1、反激式开关电源的输出滤波电容器反激式开关电源输出相关波形反激式开关电源的输出整流二极管的电流波形输出滤波电容器的电流波形相关公式流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系:流过输出整流器的有效值电流与峰值值电流的关系:流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系:输出整流器的最大导通占空比约为0.5输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系有效值电流于输出电流平均值的关系为设计实例与分析某反激式开关电源的技术参数为:电路图拓扑:反激式;输入电压:85Vac~264Vac;工作频率:65kHz;输出:12V/5A;纹波电压:50mV;CLC滤波第一级滤波电容器的选择对于输出电流5A对应的峰值电流为20A、有效值电流为14.14A,分流入滤波电容器的交流电流成分会超过6A。按最高温度的纹波电流2倍选用电容器,滤波电容器的纹波电流之和至少要7A。25V/1000μF低ESR铝电解电容器的额定纹波电流约为1A,需要7只并联。如果非要5只并联甚至4只并联,也是可以运行的,但是不具有长期可靠性。25℃温度下,25V/1000μF低ESR铝电解电容器的ESR约为0.09Ω。7只并联对应的ESR为129mΩ、5只并联为180mΩ、4只并联为225mΩ。由电流变化在ESR上产生的峰值电压分别为2.59V、3.60V、4.50V。除此之外,滤波电容器的ESL还会在整流二极管开通时由于电流的跃变而产生感生电势,这个感生电势同样会加到滤波电容器上,因此,滤波电容器上的峰值电压将不只是上述的2.59V、3.60V、4.50V。电压波形如图第二极LC低通滤波器的设计与参数选择第二级需要考虑的是如何将不能满足要求纹波电压经过LC滤波使其满足要求。通常滤波电感可以选择30~100μH,输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求,还要考虑抑制负载电流的变化,在这里可以选择1000μF/25V。2、正激式开关电源的输出滤波电容器包括单端正激开关电源和桥式、推挽式开关电源。端正激开关电源由于是电感输入式滤波方式,流入滤波电容器的电流远小于反激式开关电源。在开关频率为50kHz或以下时,可以按每输出1A电流470~1000μF考虑。更高的频率时,主要考虑的是输出滤波电容器能否满足对纹波电压和尖峰电压的要求。这时滤波电容器的ESR将成为更主要的参数。五、铝电解电容器的失效铝电解电容器的时效可分为正常失效和早期失效。正规铝电解电容器厂商出品的铝电解电容器可以不考虑早期失效,在正常应用条件下,一般可以全寿命使用。如果用户使用不当还是会出现早期失效的问题。随着用户对铝电解电容器性能指标越来越高的追求越来越高,新型铝电解电容器的早期失效问题开始显现出来。铝电解电容器失效模式及其失效因素铝电解电容器正极、负极引出电极和外壳都是是高纯铝,铝电解电容器的介质是在正极表面形成的三氧化二铝膜,真正的负极是电解液,工作时相当一个电解槽,只不过正极表面的阳极氧化层已经形成,不再发生电化学反应,理论上电流为零,由于电极与电解液杂质的存在,会引起微小的漏电流。从现象上看,铝电解电容器常见的失效现象与失效模式有:电解液干涸、压力释放装置动作、短路、开路(无电容量)、漏电流过大等。压力释放装置动作为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸,直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力释放装置,这些压力释放装置在铝电解电容器内部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作,泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作,铝电解电容器即宣告失效。铝电解电容器压力释放装置电化学过程导致压力释放装置动作铝电解电容器的漏电流就是电化学过程,前面已经详尽论述,不再赘述。电化学过程将产生气体,这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升,最终达到压力释放装置动作泄压。温度过高导致压力释放装置动作铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高,如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境;铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。瞬时超温通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃,其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心,是电容器内部最热的点。可是,当电容器升温接近其最大允许温度时,对于大多数型号电容器在125℃时,其电解液要受到电容器芯包的排挤(driven),导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下,瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大,从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能,还要额外注意铝电解电容器的冷却。瞬时过电压的产生上电冲击上电过程中,由于滤波电感释放储能到滤波电容器中,导致滤波电容器的过瞬时过电压。上电过电压示意早期失效分析开关电源的早期失效几乎全部由输出滤波电解电容器造成。其原因有电容器选择不当;也有电容器自身的问题。电容器选择不当电容器选择不当主要反映在反激式开关电源方面。一般认为反激式开关电源的输出滤波电解电容器中的纹波电流不十分大,但是通过实际分析就会发现:当变压器向输出释放储能的时间约为开关周期的一半时,流过滤波电容器的实际纹波电流将达到输出电流平均值的129%!即使在0.6倍条件下也会超过120%!
本文标题:高效率开关电源设计12 开关电源中的电解电容器的选择与应用
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