這10條小技巧能讓工程師在方案設計中快速選擇出合適的電解電容器

2020-08-29 電源精英圈

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這次我們來聊聊：如何在方案設計中快速選擇出合適的電解電容器

各位看官如果有什麼不同的觀點或者秘籍啥的可以在文章末尾留言或者私信我投稿哦！

由於單位體積的高電容及其在幾乎任何電子系統中的潛在應用，鋁電解電容器在各種類型的電容器中都佔據特殊的位置。它們可用於許多應用中，包括能量存儲和過濾不希望的交流頻率。由於具有高電容值和低阻抗值，它們通常用於電源，逆變器和DC-DC轉換器。

鋁電解電容

鋁電解電容器技術由於新材料和工藝改進而不斷發展，提高了它們的可靠性和耐用性，使用壽命長達20年。如果選擇正確，它們是大多數電氣設計的關鍵部分。但是，到底什麼是鋁電解電容器，如何為您的項目正確選擇一個呢？

什麼是鋁電解電容器？

電容器由被電介質材料（或絕緣體）隔開的兩個導電材料層（電極）組成。一旦提供電流給電容器充電，電容器就將能量存儲在由這種布置產生的電場中。在鋁電解電容器中，電極由鋁箔製成。在兩個鋁電極之間是導電液體，稱為電解質。通過電化學反應，氧化層建立在電極之一（陽極）上，該電極用作鋁電解電容器中的電介質。

鋁電解電容器的結構。圖片由TDK提供

鋁電解電容器結構的另一視圖。圖片由TDK提供

電氣特性

鋁電解電容器的結構和材料為它們提供了一些獨特的電氣特性，使其成為許多應用的理想選擇。

特點描述

特點描述大電容對於給定的額定電壓，鋁電解電容器每單位體積可提供大量電容。高壓等級鋁電解電容器可用於多種應用。儲能鋁電解電容器具有大電容和高額定電壓，這意味著高能量存儲能力。

鋁電解電容器的優點

鋁電解電容器的最大優點是電解具有高的體積效率，即比任何常見的電容器都高的每體積電容。鋁電解通常是某些應用的唯一可能解決方案。當選擇並正確設計到電路中時，該優勢可以得到最大化。

鋁電解電容器的另一個優點是可提供高額定電壓。直流電壓額定值為600V的鋁電解電容器很容易獲得，這意味著它們可用於多種應用。

同時考慮鋁電解的高電容和高電壓會帶來另一個大優勢：儲能。電容器中存儲的能量由以下公式給出：

公式1. 儲存在電容器中的能量（U =焦耳，C =電容，V =電壓）

電容器中存儲的能量隨電容線性增加，隨電壓呈指數增加。

選擇用於電源應用的電容器

了解鋁電解的基本原理是為電力電子設計選擇合適的電解鋁的第一步。以下是關鍵設計注意事項：

額定電壓/降額

電容器額定電壓為電容器提供了安全的工作範圍。在這些額定值範圍內運行可防止其損壞並延長其使用壽命。鋁電解電容器通常為電源電壓軌提供大容量電容。

變頻器電路示例

由於鋁電解電容器是極化的，因此僅在直流電壓應用中使用-在示例電路中經過直流整流後。選擇電容器時應考慮到應用的負載條件，即工作電壓，浪湧和瞬態電壓，紋波電流，環境溫度，冷卻條件以及預期使用壽命。不建議選擇比要求高得多的額定電壓，因為較高的額定電壓往往與較高的ESR一致。在像這樣的高紋波電流應用中，較高的ESR將引起嚴重的問題。

等效串聯電阻

工程師在學習初期就了解了理想的電容器，但實際電容器並不理想。實際電容器可以建模為理想電容器，周圍具有一些寄生元件。

實際電容器的等效電路

對於電源應用，等效串聯電阻（ESR）是最受關注的。電容器看到的電流的交流部分或紋波電流會導致電容器中的ESR耗散功率。該影響隨紋波電流的頻率而變化。ESR越高，電容器內部消耗的功率越多，這意味著增加的熱量產生和縮短的電容器壽命。在為電源設計指定電容器時，沒有必要選擇最低可能的ESR，但建議選擇與設計中的紋波電流匹配的ESR額定值。

紋波電流

術語紋波電流用於表示由於任何脈動或紋波電壓而流經設備的交流電的均方根（RMS）值。由該紋波電流引起的功率損耗會引起電容器的自發熱。紋波電流的最大允許值取決於環境溫度，AC信號頻率下的ESR，熱阻，該熱阻主要由電容器的表面積（即散熱面積）和所施加的冷卻確定。此外，它受到接觸元件的紋波電流能力的限制。

分步選擇指南

步驟1：確定設計所需的電容。

步驟2：定義預期的環境工作溫度。

步驟3：定義要施加到電容器的DC工作電壓。

步驟4：限制電容器的可用空間（如果需要考慮可用空間）。

步驟5：根據設計計算電容器上的預期紋波電流。

步驟6：選擇一些候選電容器。選擇電容，溫度和電壓額定值所需的最小值（步驟1、2和3）。

步驟7：計算最適合的候選者的紋波電流。使用預期的紋波電流和候選電容器的ESR進行計算。

步驟8：根據設計應用定義所需的電容器使用壽命。

步驟9：計算最佳候選電容的使用壽命。使用TDK方便的在線計算器，該計算器允許輸入15種負載條件，這些條件將提供準確的使用壽命信息。

步驟10：用AlCap使用壽命計算工具模擬輸出，確定電容器是否需要散熱器，強制通風或自然冷卻。

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