电解电容的热分析.pdf

电解电容器的发热分析与冷却措施 杨柏禄 王书堂 陈永真 辽宁工业大学 121000 摘要：摘要：本文分析了引起电容器发热的主要因素以及发热对电解电容器主要性能的影响，并进一步对最大允许温升的限制和常用冷却措施的冷却效果进行了分析，给出了估算温升的方法，提出了抑制温升的有效措施。叙词：叙词：发热 温升 纹波电流 使用寿命 冷却措施 Heating analysis of electrolytic capacitors and cooling measures Yang bailu Wang shutang Chen yongzhen Liaoning University of Technology 121001 Abstract:This paper analyzes main factors that heat of capacitors and impact of main charactaristics of electrolytic capacitors from heating,moreover gives an analysis of limits on maximum permitted temperature rise and effect of common cooling measures.This paper also gives a method to calculate the temperature rise and propose efficient measures to restrain the temperature rise.Keyword:heating temperature rise ripple current operating life cooling measures 1、前言、前言 电解电容器因为其容量大、价格低廉等特点广泛应用于整流、滤波电路中，在使用中电解电容器的可靠性很高，一般不会发生故障，并且由于其有效的自愈特性而使其工作可靠性大大提高。但是，电路设计上的弊病或者人为的误操作将会造成电解电容器的早期失效、压力释放孔道的破裂、电绝缘遭到破坏、短路、开路等故障。一般来说这些故障都是可以在很大程度上避免，唯有发热是电解电容器使用中无法避免而且危害至深的因素。电解电容器发热可以加快电解液的消耗以致干涸，甚至造成电解液的沸腾；还可以降低纹波电流的承受能力，急剧缩短电容器的使用寿命；以及令电解电容器漏电流增大、损耗增加、产生瞬时超温等危害。因此，发热是电解电容器使用中不可忽视的因素，在使用中应该确保电容器不应超过其额定工作温度，尽量避开热源，必要的时候应该采用有效的措施进行冷却。下面将详细介绍电解电容器有关发热的问题以及对电解电容器其它主要性能的影响和冷却措施。2、电解电容器发热原因和最大允许温升电解电容器发热原因和最大允许温升 电容器是储能元件，本不应该有功率损耗，但是等效串联电阻的存在使得纹波电流在其上面产生了显著损耗。这部分损耗就会以热的形式散发出去，引起电容器温度上升。一般电容器的型号、设计尺寸确定了，ESR 随温度、频率的变化规律就确定了，因此如果测得应用电路中的纹波电流就可由 ESR 上产生的功率损耗估算温升。这里值得指出的是电解电容器的总温升实际上是由两部分温升组成，一部分是由纹波电流产生的损耗引起的温升，另一部分是由漏电流损耗引起的，但是后一部分损耗相对比较小，一般可以忽略不计。电容器发热引起温升的危害是严重的，因此各个厂家对其最大允许温升都有严格的限制。一般厂家为了用户使用方便给出了电解电容器工作在特定温度下的最大允许温升。额定 85的大多数电容器类型的最大允许温升为 10。额定 105的一般类型允许 5的温升，也就是说核心温度可以达到 110。另外，厂家还可能直接给出各型号电解电容器的最大允许温度。例如 CDE 各型号最大允许温度如表 1 所示。如果厂家没给出相关的数据，根据纹波电流额定值的定义不难看出，纹波电流额定值与电容器最大允许温升有关，如果逆向思维，就不难发现由厂家数据手册中给出的纹波电流额定值和折算系数也可以估算电解电容器最大允许温升。mT表 1 CDE 各型号最大允许温度表 型号 101C 325 380LQ 381LQ 400C 500C DCMC mT 108 128 95 110 98 98 95 3、电解电容器实际温升的估算电解电容器实际温升的估算 通常电解电容器的温升可由纹波电流、ESR 和热阻的大小决定。在假设热平衡的条件下，电解电容器产生的温升就等于 ESR 上功率损耗产生的热，于是温升就等于纹波电流有效值的平方与 ESR 和热阻的乘积。功率损耗和温升的表达式如下：ESRIPrmsdiss=2 （1）thrmsthdissRESRIRPT=2 （2）其中，为功率损耗，为纹波电流有效值，ESR 为等效串联电阻，为热阻。dissPrmsIthR在实际应用的计算中，应该测得不同特定频率的纹波电流，并分别计算其功率损耗，然后相加得到总损耗。最后，由厂家给出的不同条件下的热阻表计算总温升。这里值得注意的是，ESR 这个量很复杂，它随着温度和频率的变化而变化，所以需要测得特定温度和频率下的 ESR，或者根据厂家给出的数据和计算式换算。CDE 的电解电容器不同频率下的 ESR 由下式计算：ffMESRESR120=（3）其中，为期望频率下的 ESR，为 120Hz 下的 ESR，为折算系数。表 2、表 3 中给出了 CDE 管径为 3 英寸的 DCMC 型电容器的 ESR 在不同温度下的变化比例和不同频率下的折算系数（）。fESR120ESRfMfM 表 2 不同温度 ESR 相对 25额定 ESR 随温度变化比例表 额定电压 DCV45 65 85 350450 V 70%60%60%表 3 DCMC 型电容器不同频率折算系数（）表 fM额定电压 DCV50Hz 60 Hz 120 Hz360 Hz1k Hz 5k Hz 大于10k Hz 400 到 550V 0.82 0.84 1.00 1.13 1.20 1.24 1.27 下面用CDE的DCMC型电容器为例，计算其应用于变频器直流母线电容器的温升。本例中选用管径为 3 英寸（76mm），管壳长 585 英寸（143mm）的铝电解电容器，其容量为 4700F，额定电压 450V，25、120HZ的最大ESR为 30m。假设常温下 360Hz下的纹波电流为 11A8000Hz下的纹波电流为 6.5A，施加的平均电压或总线电压为 390V。在实际估算中，首先计算两个频率下的 ESR，由表 3 中得到 360Hz 和 8000Hz 的倍乘系数分别为 1.13 和 1.24，由式（3）分别得到 360Hz 和 8000Hz 下的 ESR 为 23.5和 19.5 mm然后由式（1）计算两个频率下的功率损耗分别为 2.8W 和 0.8W，因此总损耗为 3.6W。最后由 CDE 给出的热阻表查得对流冷却条件下，其热阻为 3.07/W,再通过式（2）得到本例中电解电容器的温升为 12。这样，如果环境温度为 50时，核心温度将变为 62。这里，如果考虑 ESR 的影响，当核心温度上升到 62时，由表 1 知 ESR 大约降低 40%，因此，此时的温升将减低为 7，也就是说核心温度将变为 57，随着温度的降低 ESR 还应有所增加，这样核心温度又有所增加，温度的增加又导致 ESR 的减小，这样反复循环，最后最大允许温升应该稳定在 7和 12之间的某个值。值得指出的是，这里在环境温度为 50时应用的是 25时的最大 ESR，实际的 ESR 一般为最大值的 70%，这样做的目的是考虑到随着电容器的老化，其 ESR 将增大，这样选用最大值计算出的温升值将更加准确。另外，对电解电容器温升的估算不仅仅上面一种方法，而且对于相关参数的计算式每个厂家可能有所差异。在精度要求不是很高的情况下还可以用寿命与温度、纹波电流的关系曲线估算环境允许温度，在精度要求很高的场合还可以通过产品样品直接测得工作时其内部的核心温度。4、电解电容器使用寿命对环境允许温度的限制、电解电容器使用寿命对环境允许温度的限制 电解电容器纹波电流产生的热，其最主要的危害就是明显缩短电容器的使用寿命。一般温度每升高 10，电解电容器的使用寿命将折半。因此必须根据使用需要限制电容器的环境温升。通常可以通过直接限制环境允许温度和间接限制纹波电流的方式限制环境温升。前者可以通过令电容器远离热源、控制环境温度和施加冷却措施的方式实现。后者在文章下一节中还将继续讨论。图 1 给出了 EPCOS 的 B41605 型电容器的寿命与温度、纹波电流的关系曲线，其他厂家、不同型号的这类特性曲线也有相似特点，通过特性曲线可以帮我们分析环境允许温度限制。在图 1 中首先可以看出，深色的区域为电容器的非安全工作区，因此应用中电容器任何一个状态都不允许进入此区域，甚至距离此区域的边界应有一定的余量。例如对于寿命为 10000h 的特性曲线，在环境温度较低时，其纹波电流也不应该超出其额定值的 2 倍。其次，如果在恒定的纹波电流条件下工作时，电解电容器的寿命会随着环境温度的上升而减小，因此应根据设计的需要选择合适寿命来限制环境允许温度。例如，若电容器工作在额定纹波电 流 下，实 际 中 需 要 其 工 作 寿 命 为100000h，又图中可以看出其环境允许温度为 85。如果电容器工作在 40，而其最大允许温升一般都不超过 20，因此在散热良好的条件下其最终会工作在低于 60的某个值。这个值是安全的。但如果周围热源很多最初环境温度达到 60以上，虽然其工作温度可能在 80，没超过其允许环境温度，但是其寿命也会显著缩短。这里还应该注意的是，电解电容器内部核心为最热的点，当核心温度接近最大允许温度时，寿命的缩短将不再是每升高 10而折半，而是急剧缩短。这是因为，对于大多数型号的电容器，当核心温度上升到 125以上时，电解液将受到电容器芯包的热应力，使电容器的 ESR 增加 10 倍多。瞬时超温或者瞬时的过电流都会导致这种情况的发生，使电容器不可用。使用中应特别注意。5、电解电容器温升减小的措施、电解电容器温升减小的措施 5.1 通过降低纹波电流减小温升 通过降低纹波电流减小温升 为了提高电解电容器的使用寿命，增强应用可靠性，除了被动地限制其环境允许温度以外，还可以通过积极有效的措施减小温升。本节阐述的方法是用来减小电容器自身的温升，并由此减小对环境温度的影响，在增强自身可靠性的同时也减小了对其他器件的影响。这里选用的方法可以是采用较大容量的铝电解电容器，毕竟大容量铝电解电容器可承受的纹波电流比小容量的铝电解电容器大；也可以采用多只小容量的铝电解电容器的并联方式，如两只47F的铝电解电容器可承受的纹波电流比 1 只 100F的铝电解电容器大，而 3 只 33F的比 1 只 100F的更大。还可以选用纹波电流低的电路拓扑，如电感输入式整流滤波方式可以大大减小滤波电容器的纹波电流，在条件允许时采用多变换器分相并联的电路拓扑可以大大减小开关变换电流。即使条件不允许，也应该采用桥式或推挽电路拓扑，而且选择尽可能大的占空比最好，一般而言，反激式变换器产生的开关变换电流相对最大。5.2 通过降低表面温度减小温升通过降低表面温度减小温升 降低温升的第二种方法就是设法降低铝电解电容器表面温度，这样即使有较高的温升，由于表面温度较低，也不会使核心温度过度的上升。具体的操作就是在电路设计中，尽量使电解电容器远离热源、采用覆铜较厚的电路板或者采用强制冷却措施都是很好的方法。这些方法从原理上都是通过降低电容器核心到外界的热阻来降低温升的。其中强制冷却主要包括附加散热器和强制风冷，有些应用中还用到液体冷却（水或油）。不同的冷却方式其冷却效果是不同的，对于冷却效果可以用冷却率来衡量。通常冷却率用施加冷却措施后的温升T和对流冷却时温升T的值来表比示，即TT2 中给出了纹波电流与冷却率之间的关系。图中 5 条曲线管壳尺寸依次减小，/II采用冷却措施后的纹波电流与额定纹波电流的比值。由图可知，随着冷却率的减小，纹波电流承受能力有所增加，这主要是由于热回路的热阻降低的结果。如果电路中纹波电流恒定的情况下，热阻的降低将会带来散热的改善，温升的降低。图表示一般采用风冷时常用的风速约为 0.5m/s、1.0 m/s 和 1.5 m/s，它们对温升的效果用冷却率表示为 0.55、0.45 和 0.39，可见风速越大，冷却效果越好。对于上面估算温升的那个例子，在未加任何冷却措施的条件下其温升若为 10，施加不同的强制风冷后，其温升将分别减小到 5.5、4.5和 3.9。另外，对于液体冷却，由于液体的温度低于环境温度很多，因此对电容器的冷却效果较好，冷却率可能降为零，甚至变为负值。但是需要注意的是，液体的比热容较大，所以热阻的函数不再是线性，冷却率将是电容器损耗的函数，实际应用中还需计算最大可能的热负载。而加散热器和强制风冷这样的冷却措施没有这些顾虑。除此之外，上面的冷却率是在假设核心温度等于壳温的情况下给出的。通常芯包到外壳还应有 35/W 的热阻。因此上面的值应用在管径小于 25mm 的电容器是安全的。对于大尺寸的大型铝电解电容器常在内部采用低热阻设计，可以有效地减小温升。另外，有些厂家还采用了一些特殊的设计增强芯包的散热，如上面例子中的 DCMC 型电容器，其底部可以通过双头螺栓与散热金属片相连，有效地降低了芯包到外界的热阻，起到散热的作用。结结 语语 电解电容器显著发热是使用中不可避免的缺陷，它的最主要危害就是对电解电容器使用寿命的影响。在实际应用中，应该注意影响电解电容器发热的因素，最主要的是纹波电流，无论是多只电容器并联还是采用合理的电路拓扑都可以有效的控制纹波电流抑制温升。冷却措施的有效使用在抑制电容器温升的应用中也不容忽视。参考文献参考文献 1 陈永真电容器原理及其应用科学出版社，2005 10，128129 2 CDE.capacitor,Data Book.2002.2.197200.3 EPCOS.Aluminum Electronic Capacitors for Automotive applications Data Book.2005.12 作者简介作者简介 杨柏禄，男，辽宁工业大学电力电子与电力传动硕士研究生，主要从事电力电子方面的研究。王书堂，男，辽宁工业大学电力电子与电力传动硕士研究生，主要从事电力电子方面的研究。陈永真，男，1956年生，副教授，中国电源学会常务理事，中国电力电子学会理事，辽宁工业大学电力电子与电力传动硕士导师，主要从事电力电子技术教学科研工作。