深入理解電容，波紋和自發(fā)熱

接著(zhù)，在將可降低電容溫度的全部強制冷或散熱措施考慮在內的情況下，可對該系統進(jìn)行熱建模;另外要說(shuō)的是，如果電容旁有其它發(fā)熱器件，可能會(huì )增加其溫度。

如果缺這兩種散熱方法的任一種的足夠數據，那么可采用常常是最準確的實(shí)證方法。只要使電路工作在最壞條件并借助熱電偶或高溫計測量器件溫升高于環(huán)境溫度就可實(shí)現。

要確認的第一件事是平衡溫度不要高于電容的最高工作溫度，以及相關(guān)的峰值紋波電壓(加上施加的任何偏置電壓)不超過(guò)最高工作電壓。對許多電容器技術(shù)來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)溫度升高，ESR會(huì )降低，所以ESR對波紋發(fā)熱的影響會(huì )降低。然而，不是在供應商的數據手冊中已將其算計在內，就是并不要求(如果器件是在應用中實(shí)際測量的)。

圖2：貼片鉭電容的散熱模型。

Lead frame: 引腳框架

Solder: 焊料

tantalum anode: 鉭陽(yáng)極

printed circuit board: 印刷電路板

encapsulant: 密封材料

copper: 銅

如果器件在所有工作參數允許范圍內工作，則不會(huì )有問(wèn)題;對于關(guān)鍵應用，電容的實(shí)際可靠性總是可以根據它的實(shí)際最高溫度，而非電路的環(huán)境溫度重新計算。如果計算或測量到的溫升高于建議的工作范圍，那么器件雖仍可能能夠工作(如果上述條件得到滿(mǎn)足)，但仍應與供應商溝通，以確認在這種情況下，是否需考慮其他壓力。

在確定哪些因素影響發(fā)熱后，我們來(lái)看看一些實(shí)際應用。

對低電壓(如1.8V~5.5V電源軌)DC應用來(lái)說(shuō)，高容值的片式多層陶瓷電容(MLCC)和固體鉭電解電容是在10kHz到10MHz范圍內的直流電源濾波電容的首選。這些技術(shù)能夠以小尺寸在低電壓等級提供數百微法(uF)的電容值。X5R片式多層陶瓷電容器的溫度特性支持其實(shí)現特別高的電容值，其典型ESR在1~10 mΩ范圍，但具有85℃的溫度上限。雖然X5R器件的電容值針對低電壓等級進(jìn)行了最大化處理，這些電容的一個(gè)特征是：其電容值隨施加電壓(電壓系數)減小，同時(shí)，其電容值還隨工作溫度的升高而減小(溫度系數)。

然而，其ESR仍保持低值，所以波紋電流能力將不會(huì )受到影響。在更青睞低體電容損耗的應用中，可使用X7R溫度特性。對于給定的尺寸和額定電壓，X7R的標稱(chēng)電容值比X5R MLCC的低，但電壓系數的影響會(huì )降低(且如果采用電壓降額用法，還可進(jìn)一步降低)，而當工作溫度擴展到125℃范圍時(shí)，溫度系數也將更嚴苛。

固體鉭電解電容是極性器件，需要在紋波應用施加直流偏置，它能提供100μf~1mF范圍的極高電容值;而其典型的ESR比MLCC的高一個(gè)數量級。因此，以氧化鈮電容代替鉭電容是一個(gè)值得考慮的方案。鉭固體電解電容用鉭金屬作為基陽(yáng)極材料(即，正極側電容器板)，涂覆以五氧化鉭電介質(zhì)，并使用二氧化錳或聚合物膜作為負電極材料(即，負極側電容板)。

氧化鈮電容帶導電NbO陽(yáng)極與五氧化二鈮電介質(zhì)。鈮是鉭的同族元素，但密度較低。它們采用類(lèi)似方法加工，并具有類(lèi)似電性能;然而，對于任何給定的額定電壓，鈮電介質(zhì)更具魯棒性。這意味著(zhù)：就相同電壓等級來(lái)說(shuō)，鈮工作時(shí)的電場(chǎng)應力比鉭小，且可靠性更高，但也限制了其最高額定電壓并略微增大了其ESR。但在波紋應用中，ESR的微小差異被鈮材料的較高比熱和較低熱阻抗所補償。這意味著(zhù)，類(lèi)似指標的鉭和鈮氧化物具有類(lèi)似的紋波性能。

在低紋波頻率，X5R或X7R(II級電介質(zhì))MLCC的典型ESR比鉭或鈮增加的更快。因此，后者更受音頻應用的青睞，但由于過(guò)度自發(fā)熱，兩者都不應用于低頻應用(例如，100Hz以下的線(xiàn)應用)。當為開(kāi)關(guān)模式應用選用較大的層疊陶瓷電容時(shí)，制造商的軟件通常會(huì )在低頻、當自發(fā)熱或紋波電壓本身超限時(shí)，發(fā)出警報，且還可能因使用II類(lèi)陶瓷而未施加直流電壓偏置而得到另一個(gè)警告。

II類(lèi)陶瓷電容的介電結構，可以設想為域的集合，這些域內部帶有隨所加AC電壓的變化而相應變化的內部偶極子。但是，如果沒(méi)有用于補償的DC偏置，當經(jīng)歷反向電壓時(shí)，各個(gè)域將翻轉，從而增加了內部發(fā)熱。因此，對于低頻應用，因可能需要更低的介電常數(即，對于給定的尺寸和電壓/電容值組合具有更低電容值)、更大的尺寸或多個(gè)電容元件的層疊(如層疊開(kāi)關(guān)模式中的陶瓷電容)，所以諸如NP0/C0G等I類(lèi)電介質(zhì)一般是更佳選擇。

對用在DC鏈路應用中、500uF~1mF/450V~1kV范圍的大薄膜電容(電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)用逆變器是典型應用)來(lái)說(shuō)，紋波電流將使器件發(fā)熱，但其大的質(zhì)量意味著(zhù)需要考慮其熱時(shí)間常數。事實(shí)上，在某些情況，在波紋應用中，可能需要一個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間電容才達到平衡溫度。聚丙烯由于其在大紋波電流條件下，極低的功耗和由此產(chǎn)生的低發(fā)熱，通常是首選電介質(zhì)。這種電容通常具有針對特定車(chē)輛和/或逆變器應用的定制規范。

例如，所有的薄膜電容都帶固有的自愈機制，但是，可以通過(guò)采用金屬電極系統內的特殊結構強化這種自愈機制，這樣總電容表面區域可分成平行的多個(gè)微元件，以防范短路故障。隨著(zhù)時(shí)間的推移，長(cháng)時(shí)間的高溫和施加電壓會(huì )降低電容值，但如果已知應用的忙/閑時(shí)間，則可以精確計算實(shí)際電容值與標稱(chēng)值的誤差并在初始設計就予以考慮。

結論

總之，紋波一般是你要盡量規避的電路狀態(tài)。然而，在某些應用中，它也可以是一種有效的設計功能。