關於電容器的發熱量

 

隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)
，輕(qing)量(liang)化(hua)，部(bu)件(jian)的(de)安(an)裝(zhuang)密(mi)度(du)高(gao)，放(fang)熱(re)性(xing)低(di)，裝(zhuang)置(zhi)溫(wen)度(du)易(yi)升(sheng)高(gao)。尤(you)其(qi)是(shi)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)的(de)發(fa)熱(re)雖(sui)對(dui)設(she)備(bei)溫(wen)度(du)的(de)上(shang)升(sheng)有(you)重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)，但(dan)電(dian)容(rong)器(qi)通(tong)過(guo)大(da)電(dian)流(liu)的(de)用(yong)途(tu)(開關電源平滑用
、高頻波功率放大器的輸出連接器用等)中zhong起qi因yin於yu電dian容rong器qi損sun失shi成cheng分fen的de功gong率lv消xiao耗hao變bian大da
，使shi得de自zi身shen發fa熱re因yin素su無wu法fa忽hu視shi。因yin此ci應ying在zai不bu影ying響xiang電dian容rong器qi可ke靠kao性xing的de範fan圍wei內nei抑yi製zhi電dian容rong器qi的de溫wen度du上shang升sheng。

 

理想的電容器是隻有容量成分
，但實際的電容器包括電極的電阻因素、電介質的損失
、電極電感因素
，具體可用圖1中的等價電路表示。

 

 

交流電流通過此類電容器時，會因電容器的電阻成分(ESR)，產生式1-1中所示的功率消耗Pe，則電容器發熱。

 

 

我們知道電容是儲能的
，在理想電容儲能的過程中
，進出的電流通過ESR（等效串阻）上消耗的能量就是產生的熱量。

 

電容器的發熱特性

     

此外，在電容率的電壓依賴性為非線形的高電容率類電容器中（電容的主要電氣特性為C，電容。而電容器的寄生參數如ESR、ESL相對影響較小），需同時觀察加在電容器上的交流電流與交流電壓。小容量的溫度補償型電容器應具備100MHz以上高頻中的發熱特性
，因此須在反射較少的狀態下進行測量。

 

1、電容器的發熱特性測量係統

 

高電容率類電容器（DC～1MHz區域）發熱特性測量係統的概略如圖.2所示。

 

用雙極電源將信號發生器的信號增幅，加在電容器上。用電流探頭（通用探頭）觀察此時的電流
，使用電壓探頭觀察電容器的電壓。同時用紅外線溫度計測量電容器表麵的溫度，明確電流、電壓及表麵溫度上升的關係。

 

 

溫度補償型電容器（10MHz～4GHz帶寬）發熱特性測量係統的概略和測量狀態如圖.3所示。

 

 

組成係統的設備及電纜類均統一為50Ω
，將測量試料裝在形成微帶線的基板上
，兩端裝有SMA連接器。用高頻波放大器（Amplifier）增幅信號發生器（Signal GENERATOR）的信號，用定向耦合器（Coupler）觀察反射同時即施加在試料（DUT）上。用衰減器（Attenuator）使通過試料輸出的信號衰減，用電力計（Power Meter）觀測。同時觀測試料表麵溫度。

 

2
、電容器的發熱特性數據

 

作為高介電常數的片狀多層陶瓷電容器係列發熱特性的測量數據，3216型10uF的B特性6.3V的發熱特性數據、阻抗和ESR的頻率特性如圖.4所示。

 

 

表示100kHz
、500kHz、1MHz中交流電流與溫度上升的關係和阻抗（Z）及ESR®與頻率的關係。可確認發熱特性按100kHz>500kHz>1MHz的順序逐漸變小。其實ESR與C進行分壓，頻率變高時，C的阻抗變大，ESR的分壓變化（此處分析電流也是一樣的變化趨勢），同時ESR本身也有變化（右圖中的綠色曲線）。頻率越高，

 

此外，ESR在100kHz時為10mΩ，在500kHz時為6mΩ，在1MHz時為5mΩ

，可確認不同頻率的等效電阻的變化
，影響發熱特性。

 

電源設計中的電容發熱計算

 

在電源設計中，紋波是導致電容自發熱的原因之一，電容起著電荷庫的作用，當電壓增加時，它們被充電；電壓降低時，它們向負載放電；tamenshizhishangqizhepinghuaxinhaodezuoyong。dangdianrongshoudaowenbodianyafeizhiliudianyashi，dianrongjiangjinglibianhuadedianya，binggenjushijiadedianyuan，haikenengyoubianhuadedianliu，yijilianxuhejianxiexingdemaidonggonglv。wulunshuruxingshiweihe，dianrongdianchangjinglidebianhuajiangdaozhijiediancailiaozhongoujizidezhendang，congerchanshengreliang。zheyibeichengweizifaredefanyingxingwei
，shijiedianxingnengchengweizhongyaozhibiaodezhuyaoyuanyinzhiyi，yinweirenhejishengdianzu(ESR)或電感(ESL)都將增加能耗。

 

理論上

，一個完美的電容，自身不會產生任何能量損失
，但是實際上，因為製造電容的材料有電阻、電感
，電容的絕緣介質有損耗
，各種原因導致電容變得不“完美”。一個不“完美”的電容其等效電路可看成由電阻、電容、電感組成，如下圖為一個不“完美”的鉭電容
，其等效電路由電阻、電容
、電感

、二極管串並聯電路組成。
 

（鋁電解電容有近似的特性）

 

 

ESR、Z與頻率關係曲線

 

由上圖可知，該鉭電容器SRF（自諧振頻率）在500KHz左右，該點Z值最小，諧振頻率點之前電容呈容性，諧振點之後電容呈感性，也就是說在頻率很高，超過電容自諧振頻率的情況下，電容就不在是"電容"了 

，此時的功率損耗主要由電容的寄生電感引起
，P耗=I2rms·2πf·L，所以高頻下，低ESR、ESL電容的發熱少。

 

dianrongdianjiezhihenbo
，jiudianrongdezongzhilianglaishuo
，takenengjinzhanyixiaobufen，suoyizaipinggubowenshi
，yexukaolvqijiegouzhongsuoyongdeqitacailiao。liru，wujixingdianrong(如陶瓷或薄膜電容)中的電容板是金屬的；而極性電容(如鉭或鋁)，具有一個金屬陽極(而在铌氧化物技術中，陽極是導電氧化物)和一個電解質陰極(如二氧化錳或導電聚合物)。在內外部連接或引腳上，還有各種導電觸點
，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導電環氧樹脂等都會增加阻抗成份
，當AC信號或電流通過這些材料（材料阻抗成份即電容器等效串聯電阻ESR）時，它們都會有一定程度的發熱。

 

要了解這些因素如何發揮作用，我們以使用固體鉭電容器在直流電源輸出級平滑殘留AC紋波電流為例。首先
，由於它是有極性電容器，所以需要一個正電壓偏置
，以防止AC分量引起反向偏壓情況的發生。該偏置電壓通常是電源的額定輸出電壓。

 

 

紋波電壓疊加在偏置電壓上

 

Voltage:電壓 Time:時間

 

tandianrongwenbofareshiyouyutongguotandianrongdewenbodianliuzaitandianrongdengxiaochuanliandianzushangshengchanlegonglvsunhao。womenkanyouzaigeidingpinlvxiadianliudewenbozhizaitandianrongdengxiaochuanliandianzuchanshengdegonghao(等於I2R，其中“I”是電流均方根[rms])。

 

P耗=I2rms·ESR（由紋波電流引起的功耗）

 

Irms：一定頻率下的紋波電流，ESR：電容等效串聯電阻。

 

我們以考察一個正弦紋波電流及其RMS等效值入手。如果在某一頻率
，我們使一個1A Irms的電流流經一個100mΩESR的電容
，其產生的功耗是100mW。若連續供電，基於電容元件結構和封裝材料的熱容量
、以及向周圍散熱所采取的所有措施(例如：對流、傳導和輻射的組合)
，該電流將使電容在內部發熱，直到它與周圍環境達到平衡。

 

電容發熱的次要因素

 

另外在我們考慮紋波前
，我們必須注意由施加的直流偏壓產生的發熱。電容不是理想器件
，一種寄生現象是跨接介電材料的並聯電阻（RLi），該電阻將導致漏電流的發生。這個小DC電流會導致發熱，但是不像其它典型應用的紋波狀態，該發熱通常可忽略不計。電容漏電流引起的功耗可由下式計算：

 

P耗=I2DCL·R（由漏電流引起的功耗）

 

IDCL：指鉭電容漏電流， R：是跨接介電材料的並聯電阻(近似於鉭電容絕緣電阻)

 

如圖1中100uF/16V鉭電容等效電路的絕緣電阻RLi等於1.1MΩ,在室溫下，其IDCL不超過10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗約為0.11mW，在這種情況
，紋波發熱是DC漏電流發熱的1000倍，因此後者(如前所述)可以忽略不計。

 

當工作電壓超過電容最大承受電壓
、極性電容反向
、電容器介質絕緣性能下降等情況使用，此時電容發熱主要由漏電流引起，如下圖以電解電容為例說明。

 

電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)為(wei)極(ji)性(xing)電(dian)容(rong)，因(yin)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)介(jie)質(zhi)氧(yang)化(hua)膜(mo)具(ju)有(you)單(dan)向(xiang)導(dao)電(dian)性(xing)，下(xia)圖(tu)為(wei)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)介(jie)質(zhi)氧(yang)化(hua)膜(mo)耐(nai)壓(ya)與(yu)漏(lou)電(dian)流(liu)伏(fu)安(an)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)圖(tu)，與(yu)二(er)極(ji)管(guan)伏(fu)安(an)特(te)性(xing)圖(tu)類(lei)似(si)。

 

電解電容器介質氧化膜V-I特性曲線圖

 

圖6為電解電容器介質氧化膜V-Itexingquxiantu，juedingledianjiedianrongqidanxiangdaodianxing，shiyoujixingdianjiedianrongqi。youyuyinjibobiaomianyouziranyanghuadeyanghuamo，kenaijididefanxiangdianya。geidianjiedianrongqijiafanxiangdianya
，huizaochengdianjiedianrongqiyangjibiaomianjiezhiyanghuamojichuan
、破損，且在反向電流作用下破損的介質氧化膜無法修複，導致介質氧化膜絕緣性能下降

，電解電容器內部漏電流DCL會急劇增大

，內部漏電流DCLtongguojueyuandianzuhuichanshenggonglvsunhao
，zuizhongdaozhidianjiedianrongqifare。keyishuoloudianliushihengliangdianrongqijiezhijueyuanxingnenghaohuaidebiaozhi，duiyuyixiejingmidianluheloudianliumingandianlushiyongdianrongqishi
，jiancedianrongdeloudianliuhuojueyuandianzushibukehulvede。

 

 

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