电容器在电源中的选择



电容器是实现电源的宽范围电压和电流组合的最关键的无源元件之一。尽管每种电容器都能储存电能,但对于特定的应用来说,电介质技术在电容器的选择中起着重要的作用。

电容器在电源中最重要的应用是在存储能量、浪涌电压保护、EMI抑制和控制电路等方面。
  
储能
  
储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40~450VDC、电容值在220~150000ΜF之间的铝电解电容器(如EPCOS公司的B43504或B43505)是较为常用的。根据不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式,对于功率级超过10KW的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。
  
要选择合适的电容值,需查看其额定直流电压、允许的电压波纹和充/放电周期。但是,在选择用于该应用的电解电容器时,应当考虑以下参数。典型电源中的电容器波纹电流为各个频率上的波纹电流的组合。波纹电流的RMS(均方根)值决定了电容器的温升。
  
常见的一个错误是通过把各个频率上的波纹电流的平方值相加来计算RMS电流负载。实际上,必须考虑到随着波纹频率的增加,电容器的ESR下降。正确的做法是根据波纹因子的频率图估算出高频(到100HZ)时的波纹电流。采用估算的电流平方值来确定波纹电流。这才是真实的电流负载。由于环境温度决定着负载条件下的电容器寿命,因此,那些声誉卓著的制造商们均精确定义了波纹电流负载、环境温度与概率寿命之间的关系。在实际工作条件下,利用波纹电流负载和环境温度来确定概率寿命,而将公布的概率寿命作为绝对值。
  
浪涌电压保护
  
开关频率很高的现代功率半导体器件易受潜在的损害性电压尖峰脉冲的影响。跨接在功率半导体器件两端的浪涌电压保护电容器(如EPCOSB32620-J或B32651..56)通过吸收电压脉冲限制了峰值电压,从而对半导体器件起到了保护作用,使得浪涌电压保护电容器成为功率元件库中的重要一员。
  
半导体器件的额定电压和电流值及其开关频率左右着浪涌电压保护电容器的选择。由于这些电容器承受着很陡的DV/DT值,因此,对于这种应用而言,薄膜电容器是恰当之选。
  
在额定电压值高达2000VDC的条件下,典型的电容额定值在470PF~47NF之间。对于大功率的半导体器件,如IGBT,电容值可高达2.2ΜF,电压在1200VDC的范围内。不能仅根据电容值/电压值来选择电容器。在选择浪涌电压保护电容器时,还应考虑所需的DV/DT值。
  
耗散因子决定着电容器内部的功率耗散。因此,应选择一个具有较低损耗因子的电容器作为替换。
  
EMI/RFI抑制
  
这些电容器连接在电源的输入端,以减轻由半导体所产生的电磁或无线电干扰。由于直接与主输入线相连,这些电容器易遭受到破坏性的过压和瞬态电压。因此,世界上各个地区都推出了不同的安全标准,包括欧洲的EN132400,美国的UL1414和1283以及加拿大的CSAC22.2NO.0,1和8。
  
采用塑膜技术的X-级和Y-级电容器(如EPCOSB3292X/B81122)提供了最为廉价的抑制方法之一。抑制电容器的阻抗随着频率的增加而减小,允许高频电流通过电容器。X电容器在线路之间对此电流提供“短路”,Y电容器则在线路与接地设备之间对此电流提供“短路”。
  
根据所能承受的浪涌电压的峰值,对X和Y电容器还有更细的分类。例如:一个电容值高达1ΜF的X2电容器的额定峰值浪涌电压为2.5KV,而电容值相近的X1电容器,其额定峰值浪涌电压则为4KV。应根据负载断电期间的峰值电压来选择合适的干扰抑制电容器的级别。
  
控制和逻辑电路
  
各类电容器均被应用于电源控制电路中,除非是在恶劣的环境条件下,否则这些电容器都是具有低电压和低损耗的通用型元件。在恶劣的环境下使用的电源,通常选用高温元件。工业或专业用电源,可选择低ESR元件,如EPCOSB45294系列,在要求较高的总体可靠性时,是不错的选择。
  
为了对装配的自动化、外型尺寸的压缩、装配成本的下降以及由此带来的生产率的提高等加以利用,大多数设计师试图沿用控制电路中所采用的SMD电容器技术。但是,选用混合技术以充分利用某些引线元件所具有的低得多的成本这一优势的工程师也不在少数。