工程師手冊(cè)：電源設(shè)計(jì)中的電容選用規(guī)則講解

　　50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動(dòng)電壓頻率僅為100赫茲，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)。為獲得更小的脈動(dòng)系數(shù)，所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。而開關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)萬赫茲，甚至是數(shù)十兆赫茲。這時(shí)電容量并不是其主要指標(biāo)，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。

　　許多電子設(shè)計(jì)者都知道濾波電容在電源中起的作用，但在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容上，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，其上的脈動(dòng)電壓頻率僅有 100 赫茲，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)，為獲得較小的脈動(dòng)系數(shù)，需要的電容量高達(dá)數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造，目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。

　　在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，其上鋸齒波電壓的頻率高達(dá)數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應(yīng)用時(shí)不同，電容量并不是主要指標(biāo)，衡量它好壞的則是它的阻抗一頻率特性，要求它在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等的阻抗，同時(shí)，對(duì)于電源內(nèi)部，由于半導(dǎo)體器件開始工作所產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10 千赫左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源使用要求。

　　普通的低頻電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源的使用要求。而開關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)端子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。電流從四端電容的一個(gè)正端流入，經(jīng)過電容內(nèi)部，再?gòu)牧硪粋€(gè)正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個(gè)負(fù)端流入，再?gòu)牧硪粋€(gè)負(fù)端流向電源負(fù)端。

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源專用的高頻鋁電解電容器，它有四端個(gè)子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。穩(wěn)壓電源的電流從四端電容的一個(gè)正端流入，經(jīng)過電容內(nèi)部，再?gòu)牧硪粋€(gè)正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個(gè)負(fù)端流入，再?gòu)牧硪粋€(gè)負(fù)端流向電源負(fù)端。因?yàn)樗亩穗娙菥哂辛己玫母哳l特性，它為減小輸出電壓的脈動(dòng)分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源具有多功能綜合保護(hù)：穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應(yīng)具有過壓保護(hù)（超過輸出電壓的+10%）、欠壓保護(hù)（低于輸出電壓的 -10%）、缺相保護(hù)、短路過載保護(hù)最基本的保護(hù)功能。尖脈沖抑制（可選）：電網(wǎng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會(huì)擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

　　高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，它將鋁箔分成較短的若干小段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的電阻成份，同時(shí)，采用低電阻率的材料并用螺桿作為引出端子，以增強(qiáng)電容器承受大電流的能力。

　　疊片電容也稱為無感電容，一般電解電容器的芯子都卷成圓柱形，等效串聯(lián)電感較大;疊片電容的結(jié)構(gòu)和書本相仿，因流過電流產(chǎn)生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了電感的數(shù)值，具有更為優(yōu)良的高頻特性，這種電容一般做成方形，便于固定，還可以適當(dāng)減小占機(jī)體積。

　　2.吸收與換相電容器

　　隨著柵控半導(dǎo)體器件的額定功率越做越大，開關(guān)速度越來越快，額定電壓越來越高，對(duì)緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優(yōu)異的高頻特性是不夠的。

　　在大功率電力電子電路中，由于IGBT 的開關(guān)速度已小于1μs，要求吸收電路電容器上的電壓變化速率dv/dt》 V/μs 已是很正常的，有的要求 V/μs 甚至 V/μs。

　　對(duì)于普通電容器，特別是普通金屬化電容器的dv/dt《100V/μs，特殊金屬化電容器的dv/dt≤200V/μs，專用雙金屬化電容器小容量（小于10nF）的dv/dt≤1500V/μs，較大容量（小于0.1μF）的則為600V/μs，在這種巨大且重復(fù)率很高的峰值電流沖擊下是很難承受的。損壞電力電子電路的現(xiàn)象。

　　目前吸收電路專用電容器，即金屬箔電極可承受較大的峰值電流和有效值電流沖擊，如：較小容量（10nF 以下）的可承受100000V/μs～455000V/μs 的電壓變化率、3700A 峰值電流和達(dá)9A 有效值電流（如CDV30FH822J03）;較大容量（大于10nF，小于0.47μF）或較大尺寸的可承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值電流的沖擊。

　　由此可見，盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容，應(yīng)用在吸收電路中將有不同的表現(xiàn)，外形相近但規(guī)格不同在這里是絕對(duì)不能互換的。電容器的尺寸將影響電容器的dv/dt 及峰值電流的耐量，一般而言，長(zhǎng)度越大dv/dt 和峰值電流則相對(duì)較小。

　　吸收電路中電容器的工作特點(diǎn)是高峰值電流占空比小，有效值電流不十分高，與這種電路相似的還有晶閘管逆變器的換相電容器，盡管這種電容器要求的dv/dt 較吸收電容器小，但峰值電流與有效值電流均較大，采用普通電容器在電流方面不能滿足要求。

　　在某些特殊應(yīng)用中要求儲(chǔ)能電容器反復(fù)急促放電，而且放電回路電阻極低、寄生電感很小，在這種場(chǎng)合下只能將吸收電容并聯(lián)使用以保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

　　3.諧振電容器

　　諧振式變換器，如諧振式開關(guān)穩(wěn)壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器，工作時(shí)往往流過很大電流。又如電子鎮(zhèn)流器的諧振電容規(guī)格選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電容上電壓雖沒達(dá)到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電流而損壞的現(xiàn)象。

　　在含有電容和電感的電路中，如果電容和電感并聯(lián)，可能出現(xiàn)在某個(gè)很小的時(shí)間段內(nèi)：電容的電壓逐漸升高，而電流卻逐漸減少;與此同時(shí)電感的電流卻逐漸增加，電感的電壓卻逐漸降低。而在另一個(gè)很小的時(shí)間段內(nèi)：電容的電壓逐漸降低，而電流卻逐漸增加;與此同時(shí)電感的電流卻逐漸減少，電感的電壓卻逐漸升高。電壓的增加可以達(dá)到一個(gè)正的最大值，電壓的降低也可達(dá)到一個(gè)負(fù)的最大值，同樣電流的方向在這個(gè)過程中也會(huì)發(fā)生正負(fù)方向的變化，此時(shí)我們稱為電路發(fā)生電的振蕩。

　　電路振蕩現(xiàn)象可能逐漸消失，也可能持續(xù)不變地維持著。當(dāng)震蕩持續(xù)