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)zhongqiyinyudianrongqisunshichengfendegonglvxiaohaobianda，shidezishenfareyinsuwufahushi。yinciyingzaibuyingxiangdianrongqikekaoxingdefanweineiyizhidianrongqidewendushangsheng。

 

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
；它ta們men實shi質zhi上shang起qi著zhe平ping滑hua信xin號hao的de作zuo用yong。當dang電dian容rong受shou到dao紋wen波bo電dian壓ya非fei直zhi流liu電dian壓ya時shi

，電dian容rong將jiang經jing曆li變bian化hua的de電dian壓ya，並bing根gen據ju施shi加jia的de電dian源yuan，還hai可ke能neng有you變bian化hua的de電dian流liu，以yi及ji連lian續xu和he間jian歇xie性xing的de脈mai動dong功gong率lv。無wu論lun輸shu入ru形xing式shi為wei何he，電dian容rong電dian場chang經jing曆li的de變bian化hua將jiang導dao致zhi介jie電dian材cai料liao中zhong偶ou極ji子zi的de振zhen蕩dang，從cong而er產chan生sheng熱re量liang。這zhe一yi被bei稱cheng為wei自zi發fa熱re的de反fan應ying行xing為wei
，是shi介jie電dian性xing能neng成cheng為wei重zhong要yao指zhi標biao的de主zhu要yao原yuan因yin之zhi一yi，因yin為wei任ren何he寄ji生sheng電dian阻zu(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

 

鉭tan電dian容rong紋wen波bo發fa熱re是shi由you於yu通tong過guo鉭tan電dian容rong的de紋wen波bo電dian流liu在zai鉭tan電dian容rong等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu上shang生sheng產chan了le功gong率lv損sun耗hao。我wo們men看kan由you在zai給gei定ding頻pin率lv下xia電dian流liu的de紋wen波bo值zhi在zai鉭tan電dian容rong等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu產chan生sheng的de功gong耗hao(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。

 

dianjiedianrongqiweijixingdianrong，yindianjiedianrongqijiezhiyanghuamojuyoudanxiangdaodianxing，xiatuweidianjiedianrongjiezhiyanghuamonaiyayuloudianliufuantexingquxiantu，yuerjiguanfuantexingtuleisi。

 

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te性xing曲qu線xian圖tu，決jue定ding了le電dian解jie電dian容rong器qi單dan向xiang導dao電dian性xing，是shi有you極ji性xing電dian解jie電dian容rong器qi。由you於yu陰yin極ji箔bo表biao麵mian有you自zi然ran氧yang化hua的de氧yang化hua膜mo，可ke耐nai極ji低di的de反fan向xiang電dian壓ya。給gei電dian解jie電dian容rong器qi加jia反fan向xiang電dian壓ya
，會hui造zao成cheng電dian解jie電dian容rong器qi陽yang極ji表biao麵mian介jie質zhi氧yang化hua膜mo擊ji穿chuan
、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DCL通tong過guo絕jue緣yuan電dian阻zu會hui產chan生sheng功gong率lv損sun耗hao，最zui終zhong導dao致zhi電dian解jie電dian容rong器qi發fa熱re。可ke以yi說shuo漏lou電dian流liu是shi衡heng量liang電dian容rong器qi介jie質zhi絕jue緣yuan性xing能neng好hao壞huai的de標biao誌zhi，對dui於yu一yi些xie精jing密mi電dian路lu和he漏lou電dian流liu敏min感gan電dian路lu使shi用yong電dian容rong器qi時shi，檢jian測ce電dian容rong的de漏lou電dian流liu或huo絕jue緣yuan電dian阻zu是shi不bu可ke忽hu略lve的de。

 

 

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