本文主要介紹的是關(guān)于紋波電流以及鋁電解電容紋波電流計(jì)算方法，并詳細(xì)對(duì)鋁電解電容進(jìn)行了全面的闡述。更多關(guān)于電容參數(shù)計(jì)算以及方案，請(qǐng)咨詢上海工品實(shí)業(yè)有限公司技術(shù)人員。

紋波電流

紋波電流或電壓是指的電流中的高次諧波成分,會(huì)帶來電流或電壓幅值的變化,可能導(dǎo)致?lián)舸?由于是交流成分,會(huì)在電容上發(fā)生耗散,如果電流的紋波成分過大,超過了電容的最大容許紋波電流,會(huì)導(dǎo)致電容燒毀。

額定紋波電流（ IRAC ）

額定紋波電流 IRAC 又稱為最大允許紋波電流。其定義為：在最高工作溫度條件下電容器最大所能承受的交流紋波電流有效值。并且指定的紋波為標(biāo)準(zhǔn)頻率（一般為 100Hz–120Hz ）的正弦波。

基本含義

紋波電流在這里指的是流經(jīng)電容器的交流電流的 RMS 值，其在電壓上的表現(xiàn)為脈動(dòng)或紋波電壓。電容器最大允許紋波電流受環(huán)境溫度、電容器表面溫度（及散熱面積）、損耗角度（或 ESR ）以及交流頻率參數(shù)的限制。溫度是電解電容器件壽命的決定性因素，因此由紋波產(chǎn)生的熱損耗將成為電容壽命的一個(gè)關(guān)鍵參考因數(shù)。

在一些資料中將此二者稱做“漣波電流”和“漣波電壓”，其實(shí)就是 ripple current，ripple voltage。 含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。 它們和ESR 之間的關(guān)系密切，可以用下面的式子表示：

Urms = Irms × R

式中，Urms 表示紋波電壓

Irms 表示紋波電流

R 表示電容的 ESR

由上可見，當(dāng)紋波電流增大的時(shí)候，即使在 ESR 保持不變的情況下，漣波電壓也會(huì)成倍提高。換言之，當(dāng)紋波電壓增大時(shí)，紋波電流也隨之增大，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后，由于電容內(nèi)部的等效串連電阻（ESR）引起發(fā)熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的，紋波電流與頻率成正比，因此低頻時(shí)紋波電流也比較低。

鋁電解電容紋波電流計(jì)算方法

鋁電解電容的在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要參數(shù)是紋波電流，此電流關(guān)系到電解電容的帶載溫升，在電容壽命計(jì)算時(shí)候，在不測(cè)量電解電容中心點(diǎn)溫度的情況下，可以通過此紋波電流來估計(jì)電容的設(shè)計(jì)壽命，鋁電解電容常被用在整流模塊后以平穩(wěn)電壓。

控制某一紋波電壓所需的電容容值為：

負(fù)載功率（單位?W?）

注意：這是應(yīng)用所需要的最小電容容值。此外，電容容值有誤差，在工作壽命期內(nèi)，容值會(huì)逐步降低，隨著溫度降低，容值也會(huì)降低。

必須知道主線及負(fù)載側(cè)的紋波電流數(shù)據(jù)?？梢允紫扔?jì)算出電容的充電時(shí)間。??是電網(wǎng)電流的頻率。

電容的放電時(shí)間則為：

充電電流的峰值為

是紋波電壓（?Umax?–?Umin?）

則充電電流有效值：

接下來計(jì)算放電電流峰值和有效值。

最后計(jì)算得出：整流模塊后紋波電流：

紋波電流的換算方法可以這樣:

假定電流在不同頻率下的發(fā)熱功耗相同,則有:

If12xESR?f1=?If22xESR?f2

從而:If2=(?ESR?f1/?ESR?f2)1/2x?If1??這里的?(ESR?f1/?ESR?f2)1/2就是頻率系數(shù).
如果已知If1的大小,又因?yàn)镋SR?f1,ESR?f2可以測(cè)試出來,因此If2的值就能計(jì)算出來.

鋁電解電容紋波電流測(cè)試方法

1、一次側(cè)Bulk?Cap.紋波電流?

說明：一次側(cè)Bulk?Cap.紋波電流通常由基本頻率(低頻率)和高頻(開關(guān)頻率)電流構(gòu)成，因此在計(jì)算時(shí)，要通過合成公式，利用頻率系數(shù)計(jì)算出其在指定頻率下的合成有效值。(如圖1所示)

R/C(Ripple?Current)?=?Lowf(Low?Freq.Current)

一次側(cè)Bulk?Cap.是指:一次側(cè)主電解電容;Lowf是指:低頻紋波電流有效值

2、二次側(cè)Filter?Cap.紋波電流?

說明:二次側(cè)Filer?Cap.紋波電流通常由高頻電流構(gòu)成。
R/C(Ripple?Current)?=?Hif(High?Freq.?Current)
二次側(cè)Filter?Cap.是指二次側(cè)濾波電解電容。

3.溫度

Temperature?Meas.?=?Cap.?Case?實(shí)測(cè)值.———此處指電容殼溫

鋁電解電容紋波電流判定方法

1、R/C?Stress與Cap.?R/C?Spec.(電容紋波規(guī)格值)?比對(duì),計(jì)算降額比例；

2、依零件降額使用標(biāo)準(zhǔn)判定,R/C?Stress是否符合設(shè)計(jì)及應(yīng)用的要求。

此電解電容規(guī)格值?:?Ripple?Current紋波電流=0.67Arms(120Hz/Max Temp.(105℃)

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電容發(fā)熱的主要因素

紋波是導(dǎo)致電容自發(fā)熱的原因之一，電容起著電荷庫的作用，當(dāng)電壓增加時(shí)，它們被充電；電壓降低時(shí)，它們向負(fù)載放電；它們實(shí)質(zhì)上起著平滑信號(hào)的作用。當(dāng)電容受到紋波電壓非直流電壓時(shí)，電容將經(jīng)歷變化的電壓，并根據(jù)施加的電源，還可能有變化的電流，以及連續(xù)和間歇性的脈動(dòng)功率。無論輸入形式為何，電容電場(chǎng)經(jīng)歷的變化將導(dǎo)致介電材料中偶極子的振蕩，從而產(chǎn)生熱量。這一被稱為自發(fā)熱的反應(yīng)行為，是介電性能成為重要指標(biāo)的主要原因之一，因?yàn)槿魏渭纳娮?ESR)或電感(ESL)都將增加能耗。

理論上，一個(gè)完美的電容，自身不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，但是實(shí)際上，因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧嫌须娮?、電感，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е码娙葑兊貌弧巴昝馈?。一個(gè)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(gè)不“完美”的鉭電容，其等效電路由電阻、電容、電感、二極管串并聯(lián)電路組成。

AVX TAJ系列規(guī)格100uF/16V鉭電容器詳細(xì)等效電路圖

容量與頻率關(guān)系曲線

DF與頻率關(guān)系曲線

ESR、Z與頻率關(guān)系曲線

由上圖可知，該鉭電容器SRF（自諧振頻率）在500KHz左右，該點(diǎn)Z值最小，諧振頻率點(diǎn)之前電容呈容性，諧振點(diǎn)之后電容呈感性，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(shí)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(fā)熱少。

電容電介質(zhì)很薄，就電容的總質(zhì)量來說，它可能僅占一小部分，所以在評(píng)估波紋時(shí)，也需考慮其結(jié)構(gòu)中所用的其它材料。例如，無極性電容(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(gè)金屬陽極(而在鈮氧化物技術(shù)中，陽極是導(dǎo)電氧化物)和一個(gè)電解質(zhì)陰極(如二氧化錳或?qū)щ娋酆衔?。在內(nèi)外部連接或引腳上，還有各種導(dǎo)電觸點(diǎn)，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導(dǎo)電環(huán)氧樹脂等都會(huì)增加阻抗成份，當(dāng)AC信號(hào)或電流通過這些材料（材料阻抗成份即電容器等效串聯(lián)電阻ESR）時(shí)，它們都會(huì)有一定程度的發(fā)熱。

要了解這些因素如何發(fā)揮作用，我們以使用固體鉭電容器在直流電源輸出級(jí)平滑殘留AC紋波電流為例。首先，由于它是有極性電容器，所以需要一個(gè)正電壓偏置，以防止AC分量引起反向偏壓情況的發(fā)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(shí)間

鉭電容紋波發(fā)熱是由于通過鉭電容的紋波電流在鉭電容等效串聯(lián)電阻上生產(chǎn)了功率損耗。我們看由在給定頻率下電流的紋波值在鉭電容等效串聯(lián)電阻產(chǎn)生的功耗(等于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(lián)電阻。

我們以考察一個(gè)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(gè)1A Irms的電流流經(jīng)一個(gè)100mΩESR的電容，其產(chǎn)生的功耗是100mW。若連續(xù)供電，基于電容元件結(jié)構(gòu)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(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的組合)，該電流將使電容在內(nèi)部發(fā)熱，直到它與周圍環(huán)境達(dá)到平衡。

電容發(fā)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(chǎn)生的發(fā)熱。電容不是理想器件，一種寄生現(xiàn)象是跨接介電材料的并聯(lián)電阻（RLi），該電阻將導(dǎo)致漏電流的發(fā)生。這個(gè)小DC電流會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，但是不像其它典型應(yīng)用的紋波狀態(tài)，該發(fā)熱通?？珊雎圆挥?jì)。電容漏電流引起的功耗可由下式計(jì)算：

P耗=I2DCL·R（由漏電流引起的功耗）

IDCL：指鉭電容漏電流， R：是跨接介電材料的并聯(lián)電阻(近似于鉭電容絕緣電阻)

如圖1中100uF/16V鉭電容等效電路的絕緣電阻RLi等于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(fā)熱是DC漏電流發(fā)熱的1000倍，因此后者(如前所述)可以忽略不計(jì)。

當(dāng)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(zhì)絕緣性能下降等情況使用，此時(shí)電容發(fā)熱主要由漏電流引起，如下圖以電解電容為例說明。

電解電容器為極性電容，因電解電容器介質(zhì)氧化膜具有單向?qū)щ娦裕聢D為電解電容介質(zhì)氧化膜耐壓與漏電流伏安特性曲線圖，與二極管伏安特性圖類似。

電解電容器介質(zhì)氧化膜V-I特性曲線圖

圖6為電解電容器介質(zhì)氧化膜V-I特性曲線圖，決定了電解電容器單向?qū)щ娦?，是有極性電解電容器。由于陰極箔表面有自然氧化的氧化膜，可耐極低的反向電壓。給電解電容器加反向電壓，會(huì)造成電解電容器陽極表面介質(zhì)氧化膜擊穿、破損，且在反向電流作用下破損的介質(zhì)氧化膜無法修復(fù)，導(dǎo)致介質(zhì)氧化膜絕緣性能下降，電解電容器內(nèi)部漏電流DCL會(huì)急劇增大，內(nèi)部漏電流DCL通過絕緣電阻會(huì)產(chǎn)生功率損耗，最終導(dǎo)致電解電容器發(fā)熱?？梢哉f漏電流是衡量電容器介質(zhì)絕緣性能好壞的標(biāo)志，對(duì)于一些精密電路和漏電流敏感電路使用電容器時(shí)，檢測(cè)電容的漏電流或絕緣電阻是不可忽略的。

結(jié)語

簡而言之，引起電解電容發(fā)熱的主要因素是疊加在直流上的紋波，通俗點(diǎn)就是耐壓不夠或者內(nèi)部漏電。

關(guān)于鋁波電流以及鋁電解電容紋波電流相關(guān)介紹就到這了，希望本文能對(duì)你有所幫助。

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