滤波电容器的类型和应用.docx
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滤波电容器的类型和应用
4．5滤波电容器的类型和应用
电容器是变频器中应用最广的元件之一，无论是主电路、控制电路、驱动电路还是开关电源都大量使用，它们在变频器中一般起到滤波、旁路、退耦、隔直、耦合、吸收、储能等作用。
事实上，通用变频器主电路中的高压电容器一般占整机体积的三分之一。
尤其是，除了逆变电路功率模块是变频器的故障概率最高外，就是各个部位的电容器的故障概率高。
对于变频器的设计者和使用者来说，了解电容器的特性及其参数对工作状态的影响以及变频器对滤波电容器的要求等无疑是非常重要的，因此，本章对变频器用滤波电容器较为详细的介绍。
4．5．1滤波电容器的分类和特性
1．电容器的分类
电容器可以按照所使用的介质进行分类，如下：
2．国产电容器的型号
国产电容器的型号命名方式如表4.24所示。
表4.24电容器的型号命名方式
第一字母
第二字母
第三字母
第四部分
介质材料
形状
结构
大小
分批号
主称
纸
介
铝
电解
钽
电解
云
母
高
频
瓷介
低
频
瓷介
金
属
化
纸
介
聚
苯
乙
烯
等
涤
纶
等
复
合
介
质
筒
形
管
形
立体矩
形
圆
片
形
密
封
形
小
型
C
Z
D
A
Y
C
T
J
B
L
H
T
G
L
Y
M
X
数字
3．常用电容器的结构特点及适用场合
各种电容器的结构都有所不同，因此它们的特点也不一样。
（1）金属化纸介电容器（CJ型）
金属化纸介电容器的结构就是以介质（电容器纸）上所覆盖约0.01μm厚的金属膜作为两电极，卷饶成芯子，装入外壳内并加以密封。
CJ型电容器的特点是体积小，容量大，受高电压击穿后能自愈，但容量稳定性、损耗绝缘电阻均比云母、瓷介、聚苯等电容器差。
适用于对频率和稳定性要求不高的场合，可用于吸收输出杂音电压和初级高压侧无源PFC。
CJ型金属化纸介电容器的容量范围为6800pF～30μF；允许偏差可以为±5％，±10％，±20％；工作电压范围是63～1600V。
（2）聚苯乙烯薄膜电容器（CB型）
聚苯乙烯薄膜电容器的介质为聚苯乙烯薄膜，电极有金属箔式和金属膜式两种。
由于聚苯乙烯膜吸湿性很小，卷好的芯子采用自身聚合的方法，可以作成非密封的结构，如CBl0和CBl4型等。
CB型电容器具有优良的电性能，介质损耗小，绝缘电阻大，ac小，电容稳定性好，精度可做到±1％，介质吸收系数小，吸水性小，可与云母和高频瓷介电容器相比较，适用于高频电路中，成本低于云母电容器，容量又可做得比云母电容器大，缺点是耐热性差。
聚苯乙烯薄膜电容器可用于吸收输出杂音电压和初级高压侧无源PFC及逆变开关电路的尖峰电压吸收。
CB型电容器的容量范围是10pF～10μF；允许偏差可以是±5％，±10％，±20％；工作电压范围可以是100V～30kV。
（3）涤纶薄膜电容器（CL型）
涤纶薄膜电容器的介质为涤纶薄膜，电极有金属箔式和金属膜式两种。
外型结构有三种：
一种是卷好的芯子用带色的环氧树脂包封，如CLl0型、CL21型、CLll型、CL20型，一种是装入密封的金属壳内，如CL41型；另一种是装在塑料壳内。
CL型电容器体积小，容量大，金属膜结构的体积更小，耐热耐湿性好，膜的强度大，利于自动化生产，价廉，但稳定性差，适用于对频率和稳定性要求不高的电路，如吸收输出杂音电压等。
CL型电容器的容量范围是40pF～20μF；允许偏差可以是±5％，±10％，±20％；工作电压范围可以是63～630V。
（4）云母电容器（CY型）
云母电容器的介质为云母片，电极有金属箔式和金属膜式的，目前大多采用在云母介质上被覆一层银电极，云母电容器的芯子结构是装叠而成的，外壳有陶瓷外壳、金属外壳，常用的是塑料外壳。
CY型电容器是一种高稳定、高可靠、高精度的电容器，损耗小、绝缘电阻很高。
温度、频率特性稳定，不易老化，固有电感小，是性能优良的高频电容器之一，广泛用于对稳定性和可靠性要求较高的场合及高频高压设备。
缺点是价格较贵，容量不高。
不适用于通信电源。
CY型电容器的容量范围为10～51000pF；允许偏差可以是±2％，±5％，±10％；工作电压范围是100V～7kV。
（5）CC型瓷介电容器
CC型瓷介电容器是用高介电常数的电容器陶瓷作为介质，电极是在陶瓷上覆银制成的，焊上引出线，涂以保护漆，即成为一只陶瓷电容器；陶瓷电容器的结构简单，但结构形式是各类电容器中最多的一种。
CC型陶瓷电容器用的介质材料是I型电容器陶瓷，它的ε一般小于100。
CC型陶瓷电容器的体积小，耐热性好，并能耐酸碱、盐类的侵蚀，损耗小，绝缘电阻高。
其缺点是容量较小，常用于要求低损耗和容量稳定的高频电路中，或做温度补偿之用，如控制电路的抗干扰、滤波及定时。
容量范围：
1～4μF；工作电压：
63～500V；允许误差：
±2％，±5％，±10％，±20％；高压型：
1～30kV；容量范围：
1～10nF。
（6）CT型瓷介电容器
CT型瓷介电容器介质材料是Ⅱ型电容器陶瓷，ε一般大于1000。
因介质是用的Ⅱ型瓷料，ε>1000，故体积比CC型更小，容量比CC型更大，但绝缘电阻低，损耗大，稳定性差，一般只适用于低频电路作旁路、隔直流或电源滤波，或对损耗和稳定性要求不高的场合，这种电容器不宜用在脉冲电路中，如控制电路模拟信号抗干扰和滤波。
容量范围：
330～10nF；允许误差：
±20％，
；工作电压：
63～45kV。
（7）铝电解电容器（CD型）
电解电容器的两个电极是用不同材料制成的，用铝箔作正极，电解质作负极，介质A12O3膜是在正极铝箔表面上生成的，芯子为卷绕型结构，装入铝或塑料外壳内，为防止负极电解质的干涸，外壳引线部位一般用优质橡皮圈或胶木盖或环氧树脂密封。
电解电容器单位体积的电容量特大，单位容量价格最低，重量最轻，这特点在低压情况下尤为明显。
由于介质和电解质交界处具有单向导电性，所以电解电容器是有极性的，使用时必须注意电极的正负，不可接错，其缺点是容量误差大，损耗大，漏电流大，时间稳定性差，容量损耗的温度频率特性也很差，它使用于直流或脉动电路中作整流、滤波和音频旁路。
CD型电容器的容量范围：
1～150000μF；允许误差：
，
；工作电压：
6.3～450V。
（8）钽电解电容器（CA型）
钽电解电容器有固体钽和液体钽电解电容器两种，固体钽电解电容器正极是用钽粉压成块，烧结成多孔型，介质是在其表面上生成的一层Ta2O5膜。
负极是在Ta2O5介质上被覆的一层MnO2。
液态钽电解的负极为液体电解质，它的外壳一般采用银外壳。
钽电解电容器与铝电解电容器相比较，损耗小，漏电流小，绝缘电阻大，性能稳定，可靠性高，寿命长，体积小，容量大，并且可做成超小型元件，但价格贵，耐压低，也有极性，通常只在要求较高的场合下才用，如控制电路工作电源的稳压等。
CA型电容器的容量范围：
0.1～1000μF；允许误差：
±20％，
，
；工作电压：
6.3～125V。
4．5．2滤波电容器的主要参数
滤波电容器的主要参数包括损耗正切角tgδ、漏电流、额定工作电压Vp及纹波电压Vripp、电容量C、介质吸收性能、纹波电流IR等效串联电阻ESR、等效串联阻抗ESZ、工作温度和使用寿命等。
每一类电容器各项参数的差别很大，许多无极性电容除了电容量较小之外，其它参数往往比电解电容要好得多，所以下面我们在介绍各项参数时大多侧重于电解电容器。
1．损耗角的正切值tgδ
一般电容器的电极都是由金属构成的，而电解电容器在工作时，实际是个电解槽，其中一个电极是电解液。
由于电解液的电阻比金属要高得多，因此电容器的串联等效电阻较大，有时不能忽略。
电解电容器的简化等效电路如图4.27（a）所示的形式。
图中的RS就是电容器的串联等效电阻、C为电容器的实际电容量、Rp为介质的绝缘电阻、rD为介质的吸收等效电阻。
图4.27电解电容器的简化等效电路及其矢量图
图4.27（a）的等效电路，又可以绘出如图（b）所示的矢量图，其中RS为电容器的串联等效电阻。
对电子设备来说，要求RS愈小愈好，也就是说，其夹角δ要小。
由于及Rp>>XC，正切值tgδ可近似表示为
（4.14）由公式（4.13）可知，电解电容器的tgδ与f，C，RS密切相关。
电容量C的大小，是根据电路设计的需要确定的；而凡是在满足额定工作电压的前提下，通过合理选择阴极配方和制作工艺来达到最佳值（希望愈小愈好）。
而对于频率f，则属于另一个问题。
因为一般电解电容器是按工频或双倍工频进行设计的。
当使用频率很高时，电容器将损耗掉电路中大量的能量，此时似乎是“电阻”在起作用，造成电容器芯子发热，从而使产品性能大幅度下降。
甚至会造成产品报废。
曾经对16V，50μF钽电容器作过频率特性测试，当频率由50Hz增加到20kHz时，其tgδ相对增加了30倍左右。
2．直流漏电流
由于电容器的原材料，以及在加工、装配等一系列制造过程中，不可避免地会有缺陷或部分被破坏，这些均是产生漏电流的主要根源。
此漏电流在等效电路图4.27中，以漏电阻Rp表示，它也是造成电容器发热的另一个原因。
因此，严格控制漏电流是非常必要的。
当外加电压愈高，电容量愈大时，则漏电流也愈大。
所以，电解电容器的漏电流Ip可以理解为是电容量和额定直流工作电压的线性函数，可以用公式（4.15）表示：
式中：
C为电容器的标称电容量（μF）；
U为电容器的额定工作电压（V）；
K和M是与使用的环境温度、工作电压、容量大小有关的系数，具体数据可在产品的有关标准中查阅。
电解电容器实际上就是一个电解槽。
工作时在正、负极上会有气泡产生。
其气泡的多少，主要取决于电极电位的高低。
根据法拉第定律，电解时产生的气体速率是0.6cm3／mA（0.2cm3的O2，0.4cm3的H2。
当电容器的tgδ和Ip过大时，电容器发热量将不断增加，从而加速了气体的产生（气体来源于电介液）。
如果电容器密封不良时，这些气体则更容易挥发，这是造成电容器芯子干涸，电容量减少的主要原因。
3．额定工作电压Vp及交流纹波Vripp
电容器的额定工作电压是指其在通电工作时所能施加的最高电压，用Vp表示。
对于无极性电容，手册有时同时给出额定直流电压和额定交流电压，而电解电容给出的都是额定直流电压。
电解电容器以其容量大的特点，经常用于吸收脉动电路中的交流成分，并把该能量转变成稳定的直流电压。
由于交流成分引起的发热，要比直流成分厉害得多，所以严格控制纹波电压峰值的大小，不得超过额定工作电压的20％。
也就是说，纹波峰值电压与直流电压之和，要小于电容器所标注的额定直流工作电压，若超过这一规定，电容器在电路中极容易损坏，甚至爆炸。
特别电容器的漏电流，将显著恶化。
其纹波电压的大小，可近似按如下公式表示出来：
（4.16）式中：
Ssh为电容器外壳表面积（cm2）；
Δt为在一定环境温度下所允许的温升（℃）；
f为纹波电压的正弦波频率（Hz）；
C为电容器的实际电容量（μF）；
tgδ占为在实际使用频率f下的损耗角正切值。
上式中Δt可以从产品技术标准中查到；Ssh可以计算得出；而f，C，tgδ占可以从仪表上测得。
所以一只电容器的Vripp是很容易被计算出来的。
4．电容量C
电容器的电容量C是最基本的参数之一，国际单位是法拉，用F表示，常用的单位是微法（μF）和皮法（pF）。
5．介质吸收性能
介质吸收主要表现在电容器放电后，在电容器介质中，仍然残存部分能量，从而使电容器的动态特性变得不规则。
它是造成电路低频（低音）性能变坏、电气参数漂移的主要原因。
它在等效电路图4.27（a）中以rD表示。
一般电解电容器的介质吸收系数为0.5％～5％。
测量介质吸收系数的一般方法是：
将被测电容器在1.5V直流电压下充电5分钟，然后使其短路放电3秒钟，再用输入阻抗为50MΩ以上的电压表，测其两端的残存电压，以求出占所加电压的百分比。
6．电流峰值IR。
电流峰值即电容器所能流过的交流电流的最大峰值，用IR表示。
这个参数尤其对比较大
的电解电容有重要的意义，它表明了在LC滤波电路中所允许的电感电流纹波。
电解电容的IR。
与交流电流的频率和工作温度有很大关系，手册中给出的一般都是85℃和100Hz时的值，频
率越高，温度越低，所允许的IR。
就越大，变化系数可参考表4.25。
表4.25电容器的电流峰值变化系数
频率（Hz）
50
100
500
1000
大于10k
系数
0.8
1.0
1.2
1.3
1.5
温度（℃）
35
45
55
65
75
85
95
系数
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.0
0.5
7．工作温度和使用寿命
无极性电容的工作温度一般要比电解电容器高，电解电容器的工作温度一般为
-25℃～+85℃，或者-40℃～+85℃，有的可以达到-55℃～+105℃。
解电容器经长期使用以后，氧化膜介质将逐渐加厚。
因此，电容量和漏电流都将有所下降。
又由于长期使用，电解液中的水分逐渐损失，使等效串联电阻加大，因此，tgδ也相应增加。
根据这一情况，电解电容器的寿命与其它电容器相比，要短一些。
电解电容器的寿命与交流电流和工作温度都有很大关系，图4.28给出了它们的关系示意图。
4．5．3滤波电容器的应用
1．电容器的应用场合和适用频率范围
各种电容器的应用场合是由其特点决定的（详见第4.5.1小节）。
每种电容器适用的滤波信号频率范围[54]如下：
金属化纸介电容器（CJ型）的工作频率范围是100Hz到几MHz，最佳工作频率范围为100Hz～100kHz。
涤纶薄膜电容器（CL型）的工作频率范围是100Hz～几MHz，最佳工作频率范围是lkHz～1MHz。
聚苯乙烯薄膜电容器（CB型）的工作频率范围在几kHz以上，最佳工作频率范围为100kHz～1GHz。
图4.28电解电容器的寿命与交流电流和工作温度的关系示意图
云母电容器（CY型）的工作频率范围是lkHz以上，最佳工作频率范围为10kHz～1000MHz。
CC型瓷介电容器和CT型瓷介电容器的工作频率范围是为几百到几MHz，最佳工作频率范围是几kHz～l00kHz。
铝电解电容器（CD型）和钽电解电容器（CA型）的工作频率范围是为几十kHz，最佳工作频率范围是在lkHz以下。
2．电解电容器的使用
假如排除由于制作工艺的某些疏忽，或者由原材料的个别缺陷所导致的质量问题；又假定电容器出厂时和进入使用单位后都经过严格的质量鉴定和必要的老化筛选措施，那么可以说，这些电容器是不存在致命缺陷的。
但如果在投入使用后，也往往同样出现一些早期失效的问题，这恐怕要从使用角度上来考虑分析这一问题了。
在电路中，如果实际使用情况或可能出现的特殊现象，超出了技术标准所允许的范围，那很可能会使产品产生早期失效。
分析其原因，主要是对产品性能了解得不够全面，对它在电路中承受的能力缺少应有的分析，以致选择的规格品种不适合而造成的。
为防止因使用上的失误，所造成的电容器的早期失效，电子设计人员应从以下四个方面进行考虑：
（1）使用电压的选择
一般整机的设计线路，不会使电容器在过压的情况下使用，但是有些以电容输入的滤波线路中，非正弦波的整流输出电压峰值，要比正弦波的大，当负载有较大变化时，电容器两端的电压可能会超出很多。
线路突然的开路，就可能使电容器有被击穿的危险。
因此，为考虑电容器的使用寿命和可靠性，往往采取以下两项措施：
1）为防止电路在通断瞬间造成对电容器介质氧化膜的破坏，在电路中有一定的阻抗（约0.031Ω／V，但总阻抗不超过3Ω）与电容器串接使用，这可使电容器的失效率显著降低。
2）降压使用。
如果选择使用电压低一些，标称电压高一些的电容器，也能延长其使用寿命。
经过实践，比较理想的电压降额约为5％～15％。
但要注意的是，过量的降压会造成容量损失严重，同时还易出现低电平开路的质量问题，这一点对于低压电容器则尤其明显。
（2）交流电压分量（纹波电压）的选择
电子设计人员一般根据电容器的额定直流工作电压和标称电容量的大小选用电解电容器，而对于在电路中使用的交流电压分量的影响却考虑甚少。
由于纹波电压使电解液极化，对损耗电阻RS的影响很大，也就是纹波电压比直流电压对电容器发热的影响要大得多。
所以在设计电路时，一定要控制在某特定的范围内，其数值大小可以由下述两个因素来决定：
1）电容器允许的发热温升Δt[式（4.15）]不能超过电容器允许的最高环境工作温度与室温之差。
2）电压中直流成分与交流成分的峰值之和，不能超过电容器的额定直流工作电压；而两者之差应大于零。
也就是说，不允许在负压的情况下工作，这是因为在反向电压下使用时，电容器正负极之间的电阻，主要决定于电容器芯子与外壳间工作液的电阻。
而此电阻一般设计得均较小，以减少电容器的发热损耗。
所以整个电容器可以认为在反向电压下是短路的，当在足够大的反向电压下，通过的反向电流就特别大，在极短的时间内，将使电容器损坏，甚至有爆炸的可能。
在实际使用过程中，交流成分在电容器额定工作电压中的比例，按表4.26所列的数据范围进行选择，是比较适宜的。
表4.26电解电容交流电压成分
电容器类别
钽电容器
铌电容器
铝电容器
交流成分比例
<10％
<15％
<20％
（3）使用频率的选择
由于电容器的串联等效电阻RS也是随着f的增加而减小的，使用频率f对tgδ备有很大影响。
所以选择电容器型号规格应与其电路中使用的频率相匹配。
目前，一般国产电容器的使用频率都比较低，当使用频率太高时，可适当降低使用电压中的交流分量来弥补。
图4.29绘出了不同使用频率下的交流分量下降的参考数值。
图4.29交流电压成分的降额与频率的关系
图4.30钽电容器的阻抗特性
表4.27列出了16V，50μF固体钽电容器在不同的使用频率下所测得的实际电容量和损耗角的正切值tgδ。
图4.30绘出了2.2μF钽电容器频率阻抗特性曲线。
表4.27电解电容的tgδ
测试频率（H2）
50
100
1000
5000
10000
电容量（PF）
51.47
51.06
49.9
47.4
47.4
损耗角正切值（tgδ）
0.0215
0.0224
0.0562
0.196
0.394
（4）工作温度的选择
如果选用工作温度高一些的电容器，而实际使用温度低一些的电子整机，这对延长电容器的使用寿命，提高其可靠性，将起到一定的作用。
表4.28列出了比较理想的温度降额数据。
表4.28电解电容的温度降额
电容器类别
铝电容器
液态钽、铌电容器
固态钽、铌电容器
温度降额范围
20～40℃
15～30℃
10～25℃
4.6整流模块的散热技术设计
4．6．1整流模块的散热方式
通信开关电源整流模块的散热方式分为强制风冷和自然冷却两大类，它们有各自的优势和不足之处，下面我们分别予以介绍。
1．强制风冷型整流模块
在现在的市场上，绝大多数厂家生产的通信开关电源整流模块都是强制风冷型的，也就是设计成一定的风道，用风机强制空气快速流动，将机内的热量带出来，从而达到冷却的目的。
下面我们来介绍它的优点、不足及其补偿措施。
强制风冷型整流模块的优点是体积小，安装方便，对元器件的要求低，设计容易，成本低，价格低。
其缺点是有风机噪音，风机寿命短，故障率较高，维护比较困难，需要定期进行清尘和更换风机。
解决风冷型整流模块的不足一直是人们致力研究的课题，并取得了一些有效的办法。
可采取的措施主要有：
1）采用噪音小、寿命长的风机，如日本松下的Matsushita牌ASE系列风机。
2）对风机采用智能控制，轻载工作时可以不开风机，当机内的温度到达一定高度时，再启动风机。
3）采用软开关技术和性能好的开关器件，降低功耗，减少风机工作的时间，延长风机的使用年限。
4）采用自然冷却的方式。
这种方法虽然较有效，但会带来新的问题。
2．自然冷却型整流模块
自然冷却型整流模块就是合理设计其通风道，充分利用空气的对流将传到散热器上的热量带走，达到冷却的目的，限制温升。
自然冷却型整流模块的优点是噪音小，可靠性高，维护比较容易。
其缺点是体积大，安装困难，设计困难，对元器件要求高，成本较高。
目前国内研制和生产的自然冷却型整流模块不多，只有上海新电元通信设备公司的较大功率的模块，烟台东方玉麟电子公司研制的48V／50A模块，山东工业大学奥太公司研制的48V／50A和48V／100A模块等。
4．6．2功率器件发热损耗的计算方法
通信开关电源整流模块中发热比较严重的主要元器件是逆变开关管和输入、输出整流管，需要通过散热器散热的也主要是这两部分半导体器件。
所以，设计散热技术首先要估算出需要散热器散热的各器件的功率损耗，在计算之前，我们先做几点说明：
1）由于模块的输出滤波电感都比较大，所以对逆变开关电路来说都是感性负载。
2）逆变开关电路的功率变换方式（或者说开关管）有硬开关和软开关之分，每一种情况的功率损耗都不一样，计算方法也不同。
3）整流模块逆变主开关管的功率损耗主要包括开关损耗和通态损耗（TON阶段），开关损耗又包括开通损耗（ton阶段）和关断损耗（toff阶段），主开关管的断态损耗（TOFF阶段）约等于零忽略不计
4）逆变主开关管不只一个时，可以分别计算运行的功耗。
5）输出整流二极管的功率损耗也不完全一样，每只整流二极管的功耗可分别计算。
6）每只整流二极管的功耗包括通态损耗和关断过程中的反向恢复损耗。
7）计算所需的散热器时，需要将散热器上所有发热元件的功耗相加。
1．硬开关PWM变换的开关管功耗
由于输出滤波电感比较大，所以开关管导通时的负载电流变化不大，输出滤波电感上的电流是连续的，并且变化也不大。
感性负载的硬开关PWM变换等效电路和电流波形如图4.12所示。
开关管截止期间，iC＝0，iL=iDX，负载RL通过DX续流，开关管两端等效的结电容Coss上的电压Vce＝Vin。
Tr有脉冲时，Tr开始导通，电流iC上升，当iC上升到il以前，DX仍然导通，Vce保持Vin。
只有经过tir后当iC上升到iL后，D开始截止，uce下降，Coss对开关管直接放电，经trf后下降到导通压降Vces＝0。
同样在关断时，iC稍一下降，D便开始导通Vce。
经过很短的时间tvr上升到最大值Vin，电流才开始明显下降经tif后下降到零而关断。
由以上分析可知，每一只开关管的开关损耗分为三部分，即Coss放电功耗、开通损耗和关断损耗，由下式给出：
（4.17）2．ZVT变换开关管的开关损耗
用于通信开关电源整流模块逆变开关电路的ZVT变换技术的形式有两种，即移相全桥变换和单端有源箝位／复位变换。
ZVT变换开关管的损耗包括主开关管的导通损耗和开关损耗，以及辅助电路的损耗，主开关管的导通损耗与硬开关PWM变换是一样的。
（1）主开关管的开关损耗
在ZVT变换逆变开关电路中，主开关管一般情况下是零电压开通的，所以开通损耗为零，Coss放电功耗也为零；主开关管的关断损耗比硬开关PWM变换的要小得多，是其三分之一。
如果再并联一只小电容，减缓关断过程中的du／dt可进一步减小开关管的关断损耗，使之约等于零，可以忽略。
（2）辅助开关管的损耗
由第3.3节的内容知道，辅
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