東佳課堂:電容器為什麼會發熱?

2020-06-18 14:52:24 admin 967

我們一般討論電容的時候會關注電容的溫度特性,即:溫度對容值等參數的影響。但是我們知道電容本身也是會發熱的:只要有電阻,又有電流,就會有電能轉化為熱能。

 

【關於電容器的發熱量】

隨著電子設備的小型化,輕量化,部件的安裝密度高,放熱性低,裝置溫度易升高。尤其是功率輸出電路元件的發熱雖對設備溫度的上升有重要影響。

但電容器通過大電流的用途(開關電源平滑用、高頻波功率放大器的輸出連接器用等)中起因於電容器損失成分的功率消耗變大,使得自身發熱因素無法忽視。因此應在不影響電容器可靠性的範圍內抑制電容器的溫度上升。

 

理想的電容器是只有容量成分,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。

 

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圖一

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。

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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】

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系統

高電容率類電容器(DC~1MHz區域)發熱特性測量系統的概略如圖.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面的溫度,明確電流、電壓及表面溫度上升的關係。


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圖二

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


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圖三

組成系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。同時觀測試料表面溫度。

 

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系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。

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圖四

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,電容將經歷變化的電壓,並根據施加的電源,還可能有變化的電流,以及連續和間歇性的脈動功率。無論輸入形式為何,電容電場經歷的變化將導致介電材料中偶極子的振盪,從而產生熱量。這一被稱為自發熱的反應行為,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、二極體串並聯電路組成。

(鋁電解電容有近似的特性)


 

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图片关键词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。

 

電容電介質很薄,就電容的總品質來說,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他材料。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。

 

要瞭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。

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紋波電壓疊加在偏置電壓上

Voltage:電壓 Time:時間

鉭電容紋波發熱是由於通過鉭電容的紋波電流在鉭電容等效串聯電阻上生產了功率損耗。

 

我們看由在給定頻率下電流的紋波值在鉭電容等效串聯電阻產生的功耗(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、以及向周圍散熱所採取的所有措施(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,但是不像其他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,與二極體伏安特性圖類似。

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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。

 

由於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通過絕緣電阻會產生功率損耗,最終導致電解電容器發熱。

 

可以說漏電流是衡量電容器介質絕緣性能好壞的標誌,對於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。