本文主要介紹的是關于紋波電流以及鋁電解電容紋波電流計算方法，并詳細對鋁電解電容進行了全面的闡述。更多關于電容參數(shù)計算以及方案，請咨詢上海工品實業(yè)有限公司技術人員。

紋波電流

紋波電流或電壓是指的電流中的高次諧波成分,會帶來電流或電壓幅值的變化,可能導致?lián)舸?由于是交流成分,會在電容上發(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,會導致電容燒毀。

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準頻率（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關鍵參考因數(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，當紋波電流增大的時候，即使在 ESR 保持不變的情況下，漣波電壓也會成倍提高。換言之，當紋波電壓增大時，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，因此低頻時紋波電流也比較低。

鋁電解電容紋波電流計算方法

鋁電解電容的在實際應用中的一個重要參數(shù)是紋波電流，此電流關系到電解電容的帶載溫升，在電容壽命計算時候，在不測量電解電容中心點溫度的情況下，可以通過此紋波電流來估計電容的設計壽命，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：

負載功率（單位?W?）

注意：這是應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，容值會逐步降低，隨著溫度降低，容值也會降低。

必須知道主線及負載側的紋波電流數(shù)據(jù)。可以首先計算出電容的充電時間。??是電網(wǎng)電流的頻率。

電容的放電時間則為：

充電電流的峰值為

是紋波電壓（?Umax?–?Umin?）

則充電電流有效值：

接下來計算放電電流峰值和有效值。

最后計算得出：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,又因為ESR?f1,ESR?f2可以測試出來,因此If2的值就能計算出來.

鋁電解電容紋波電流測試方法

1、一次側Bulk?Cap.紋波電流?

說明：一次側Bulk?Cap.紋波電流通常由基本頻率(低頻率)和高頻(開關頻率)電流構成，因此在計算時，要通過合成公式，利用頻率系數(shù)計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Bulk?Cap.是指:一次側主電解電容;Lowf是指:低頻紋波電流有效值

2、二次側Filter?Cap.紋波電流?

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

3.溫度

Temperature?Meas.?=?Cap.?Case?實測值.———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,計算降額比例；

2、依零件降額使用標準判定,R/C?Stress是否符合設計及應用的要求。

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

紋波是導致電容自發(fā)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；它們實質上起著平滑信號的作用。當電容受到紋波電壓非直流電壓時，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)和間歇性的脈動功率。無論輸入形式為何，電容電場經(jīng)歷的變化將導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)熱的反應行為，是介電性能成為重要指標的主要原因之一，因為任何寄生電阻(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(chǎn)生任何能量損失，但是實際上，因為制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、二極管串并聯(lián)電路組成。

AVX TAJ系列規(guī)格100uF/16V鉭電容器詳細等效電路圖

容量與頻率關系曲線

DF與頻率關系曲線

ESR、Z與頻率關系曲線

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

電容電介質很薄，就電容的總質量來說，它可能僅占一小部分，所以在評估波紋時，也需考慮其結構中所用的其它材料。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)，具有一個金屬陽極(而在鈮氧化物技術中，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(huán)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(lián)電阻ESR）時，它們都會有一定程度的發(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(jīng)一個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(fā)熱，直到它與周圍環(huán)境達到平衡。

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），該電阻將導致漏電流的發(fā)生。這個小DC電流會導致發(fā)熱，但是不像其它典型應用的紋波狀態(tài)，該發(fā)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。

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(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，因電解電容器介質氧化膜具有單向導電性，下圖為電解電容介質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。

電解電容器介質氧化膜V-I特性曲線圖

圖6為電解電容器介質氧化膜V-I特性曲線圖，決定了電解電容器單向導電性，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，會造成電解電容器陽極表面介質氧化膜擊穿、破損，且在反向電流作用下破損的介質氧化膜無法修復，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DCL通過絕緣電阻會產(chǎn)生功率損耗，最終導致電解電容器發(fā)熱。可以說漏電流是衡量電容器介質絕緣性能好壞的標志，對于一些精密電路和漏電流敏感電路使用電容器時，檢測電容的漏電流或絕緣電阻是不可忽略的。

結語

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，通俗點就是耐壓不夠或者內部漏電。

關于鋁波電流以及鋁電解電容紋波電流相關介紹就到這了，希望本文能對你有所幫助。

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