电容器知识介绍

UPS中的电容器
UPS中大量应用的电容器
➢ 第一类：电解电容器
主要用于输入整流滤波、输出整流滤波、辅助电源的旁路等
➢ 第二类：薄膜电容器
主要用于耦合、缓冲、电源旁路、定时、电源滤波器
➢ 第三类：陶瓷电容器
与薄膜电容器作用相似
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题一 电解电容器
电解电容器的分类 铝电解电容器的电气参数 规格书解读 铝电解电容器的失效模式、失效机理及预防措施 铝电解电容器的使用及注意事项 铝电解电容器的技术趋势
• 其特征是电容量表现正常，但漏电流和损耗因数高于正品铝电解电容 器。漏电流大，实际寿命明显短于预期寿命，如果在大纹波电流或高 温下应用是极其危险的，其原因是过高的漏电流会导致铝电解电容器 在大纹波电流或高温应用时的温度更高，轻者寿命缩短，严重时会导 致铝电解电容器“爆浆”。
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➢ 铝电解电容器的翻新件——套膜
液体钽的最高达160V） ➢ 绝缘质量较差 ➢ 铝电解电容易老化，性能逐年下降；钽电解则不存在此问题。
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铝电解电容器及其分类
铝电解电容器是最早的电解电容器：1921年出现液体铝电解电容器， 1938年前后改进为由多孔纸（牛皮纸和马尼拉麻纸）浸渍电糊的干式 铝电解电容器。
铝电解电容器的分类 ➢ Chip Type (SMD ) ➢ Radial Type ➢ Snap-in Type ➢ Screw Type ➢ Axial Type
➢ 自寿命（Shelf Life）
在没有电压下，铝电解电容器储存在某一温度或最高工作温度中， 直到寿命终止经历的时间。业界对铝电解电容器的自寿命一般定义 为在最高工作温度中储存到寿命终止，常见的自寿命有500h，1000h， 5000h等。
➢ 负荷寿命（Load Life）
在最高工作温度中，对铝电解电容器施加额定电压及额定纹波电流， 直到寿命终止所经历的时间 。常见的负荷寿命有2000h，3000h， 5000h，8000h，10000h等。
使用注意事项
✓ 普通铝电解有正负极
✓ 电容器两端电压要小于额定电压(0.6-0.8UR) ✓ 普通铝电解不适用于频繁充放电电路
✓ 铝电解使用时,纹波电流不得超过其承受能力
✓ 铝电解工作环境温度应尽可能低且不得高于额定上限温度
✓ 铝电解长期存放后应重新老化
✓ 铝电解应储存于温度较低和干燥的环境中
安装注意事项
➢ 具有特大的比电容，可获得所有电容器中的最大容量，适于小型 化。
➢ 自愈功能----工作过程中能自动修补或隔绝氧化膜中的瑕疵、缺陷， 使介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力
➢ 可耐非常高的场强 ➢ 性价比高，应用广 ➢ 具有极性 ➢ 工作电压上限值不高（铝的最高达700V，固体钽的最高达150V，
• 翻新的铝电解电容器比较恶劣，通常是收集国外下线铝电解电容器， 重新浸电解液后封装。尽管国外著名铝电解电容器检测比国内严格， 有些下线的铝电解电容器性能还是接近于国内正品铝电解电容器，但 是，其性能还是不如国内正牌铝电解电容器。通常是一些不负责任的 销售商为了获得市场竞争力，到铝电解电容器生产厂收购下线铝电解 电容器，剔除没有电容量和击穿的后拿到市场上销售。
（1）UR＜315V时：US=1.15UR （2）UR＞315V时：US=1.1UR
有些铝电解电容器（主要是大型铝电解电容器）在外壳上也标注浪涌电压。 一般的标注方法为：×××VS
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✓ 瞬间过压
• 铝电解电容器一般能瞬间承受的极限过电压
• 接近于铝电解电容器的击穿电压
✓ 交流叠加，纹波电压
• 铝电解电容器两端之间不仅可以施加直流电压，而且还可以施加交流叠加电压 或纹波电压，但须符合如下条件：
✓ 铝电解的铝外壳与负极间不绝缘
✓ 安装时应尽量避高温(＜ 270℃ ,4s)
✓ 印制电路板孔距应与铝电解脚距相匹配
✓ 带防爆阀的铝电解安装应留有足够空间(≤ 8:2mm;10-16:3mm;≥ 18:5mm)
✓ 铝电解电容器使用时要远离发热元件
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其它相关注意事项
试想，这样的数据写在承认书里肯定会影响RD对应用铝电解电容器的信心。
因此，从某种意义上讲，应用铝电解电容器是一种无奈的选择。
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铝电解电容器的阻抗
• 在特定频率下，阻碍交流电通过的电阻就是所谓的阻抗（Z）。它与 电容的容量、寄生电感和等效串联电阻ESR密切相关。如下式所示：
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铝电解电容器的工作温度范围
a.电容器如接触水、盐水、油或受潮后不应马上使用 b.不要用在高度振荡、冲击环境下
a.不要错装电极 b.260℃下焊接时间不超过10s，或350℃时不超过3s c.确保电容器的安全槽不被封闭
a.应储存在正常的温度、湿度条件下，避免受到阳光直射 b.最长存放期为3年
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四、铝电解电容器的使用及注意事项
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➢影响电容器寿命的因素
电容器本身的特性 设计 工艺 制造过程
环境温度 施加的纹波电流 施加的工作电压
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三、规格书解读
供应商规格书解读：
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三、铝电解电容器的失效模式、失效机理及预防措施
电容器类别
铝电解电容器
失效模式
失效机理
漏液
密封不佳、橡胶老化龟裂、高温高压下电解液挥发
炸裂
工作电压中交流成分过大、氧化膜介质缺陷、存在氯 离子或硫酸根之类的有害离子、内气压高
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二、铝电解电容器的电气参数
➢ 电压参数 ➢ 电容量(uF,mF,F)及容量误差 ➢ 损耗角正切(%) ➢ 漏电流(uA,mA) ➢ ESR—等效串联电阻(mΩ ) ➢ 阻抗(mΩ) ➢ 工作温度范围 ➢ 寿命参数
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铝电解电容器的电压参数
✓ 额定DC电压VR
额定DC电压VR是电容器在额定温度范围内所允许的连续工作电压，它包括 在电容器两电极间的直流电压和脉动电压或连续脉冲电压之和。
➢ DF的测量
在120Hz、25℃、无正向电压偏置、最大交流有效值1V信号电压调谐条 件下进行，DF由温度和频率决定。DF是表征铝电解电容器质量优劣的 一个重要数，其值越小表明电容自身损耗就越小，工作时温升就越低。
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铝电解电容器的损耗因数与温度、频率的关系
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铝电解电容的漏电流
由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成以及修复 氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流，刚施加电压时， 漏电流较大，随着时间的延长，漏电流会逐渐减小并保持稳定。
✓ 对于比较低级的商业应用，铝电解电容器的最高工作/存储温度和最低工作/ 存储温度为+85℃/-20℃。如果对低温有特殊要求时，最低工作温度可以达到 -40℃；如果铝电解电容器的工作/存储温度比较高，则需要105℃；当遇到更 高的工作温度，如节能灯或汽车发动机舱内的应用时，要求铝电解电容器的 最高工作/存储温度要达到125℃甚至是150℃。
开路
电化学腐蚀、引出箔片和阳极接触不良、阳极引出箔 片和焊片的铆接部分氧化
短路
电容量下降 DF增加
漏电流增大
阳极氧化膜破裂、氧化膜局部损伤、电解液老化或干 涸、工艺缺陷
电解液损耗较多、低温下电解液粘度增大
氧化膜致密性差、氧化膜损伤、氯离子严重沾污、工 作电解液配方不佳、原材料纯度不高、铝箔纯度 不高
➢ 铝电解电容器的“偷电压”及后果
• 由于铝电解电容器的浪涌电压是额定电压的1.15倍，对于300V额定电 压的铝电解电容器的浪涌电压为345V，可以满足243V交流有效值输入 电压。如果用额定电压为300V的阳极箔替代额定电压400V的阳极箔将 会大大降低铝电解电容器的成本。有的铝电解电容器生产厂商就是采 用这种“偷电压”的方法降低生产成本。
• 套膜是伪劣铝电解电容器“翻新”的常用手法。通常将买来的铝电解 电容器套上升两档标注额定电压的新套膜热缩管，其印刷水平可以以 假乱真。例如将额定电压250V的铝电解电容器换上额定电压400V的 铝电解电容器，这样的铝电解电容器的“价值”将翻番甚至更高。套 膜铝电解电容之制造就是依据应用时电压降额的习惯，在电压降额后 可能正好是套膜铝电解电容器的浪涌电压值，在这个电压下，套膜铝 电解电容器还是能用一段时间的。
✓ 通过上述分析可以看到，铝电解电容器的最高工作/存储温度可以分为：一般 应用的+85℃，比较高工作/存储温度的+105℃和非常高工作温度的125℃甚 至是140℃、150℃的五个最高工作/存储温度。
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铝电解电容器的寿命参数
➢ 通常铝电解电容器的终止寿命评判依据是电容量下降到额定（或初 始值）的80%以下。
✓ 在工作/存储温度上限与下限之间的整个温度范围就是铝电解电容器的工作温 度范围。由于铝电解电容器以电解液为负极，随着温度的升高将会达到电解 液的沸点。故此，电解液的沸点将是铝电解电容器不可逾越的最高工作与存 储温度。在实际应用中，最高工作温度要比电解液的沸点低10~20K；同理， 在温度过低时，电解液将变得粘稠甚至凝固使铝电解电容器不能应用。因此， 铝电解电容器也有工作与存储温度的下限。
的5倍。
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铝电解电容器的等效串联电阻—ESR
✓ 铝电解电容器常用的等效电路
✓ 等效串联电阻（ESR）包括电极和引出端子的电阻、电解液的电阻，其中电解 液电阻是主要部分。
✓ 对于一般应用的铝电解电容器，多数电容器生产厂商是不给出ESR数据的，对 于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则 给出这个数据。生产厂商不给出ESR数据的主要原因是：相对于其它介质的电 容器，铝电解电容器的ESR显得太大。如1μF/16V的普通铝电解电容器，其 ESR一般在20Ω左右；100μF的铝电解电容器，其ESR也是在1.5~2Ω之间。
漏电流ILC是用来表征铝电解电容的绝缘质量，它与施加电压的大小、 环境温度的高低和测试时间的长短都有密切关系，故厂家在规定漏电 流时，就标明其测试时间t、施加电压U和环境温度T的大小
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漏电流的电压、温度特性
✓ 25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一 ✓ 额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流
✓ 反向电压
绝大多数电解电容器不允许施加反向电压，铝电解电容器的反向电压短时间 内不得超过1.5V，一般允许不超过0.8V。
✓ 额定浪涌电压VS
额定浪涌电压Vs是铝电解电容器在短时间内能承受的电压值，其测试条件 是：电容器工作在25℃，在不超过30秒，两次间隔不小于5分。IEC 384-4中规 定的浪涌电压与额定电压的关系如下：
➢ 电容容差
电容容差是允许的最小或最大电容值与额定电容量的差值同额定电容量 的比值，通常用百分比表示。产生这种偏差的原因是由于原材料的不均 匀性及结构、工艺波动等因素造成的。
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铝电解电容的损耗角正切
➢ 电解电容器的损耗因数（Dissipation Factor，英文缩写：DF）可以理解 为在交流电流激励下，电解电容器的无功功率和等效串联电阻（ESR） 的有功功率之比，如下式表征：
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铝电解电容器失效的预防措施
工作条件类别
预防措施或注意事项
工作温度及纹波 电流
a.确定工作温度及纹波电流在规定范围内 b.当并联两个或更多电容时，需注意接线电阻应计算在内 c.注意电容工作时产生的热能导致设备内部温度的升高
施加电压 工作环境
组装 储存
a.注意电容正负极，不应施加反向电压或交流电压 b.确定交流电压的峰值不超过电容的额定电压 c.不应用于经常性急速充/放电的线路上
• 为了避免过大的漏电流，延长铝电解电容器的寿命，通常要降低铝电 解电容器的使用电压，一般取0.9以下。但如果选用了偷“电压”的铝 电解电容器就将已经留出的电压富裕量丧失殆尽，甚至可能使工作电 压超过额定电压，这就使漏电流大大增加，从而大大的减少了铝电解 电容器的寿命。
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➢ 铝电解电容器的翻新件——更换电解液
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一、电解电容的分类
铝电解电容器
主要用于工频整流滤波、开关电源输出整流滤波、辅助 电源的旁路。
钽电解电容器
主要用于DC/DC变换器的电源输入旁路、DC/DC变换器 或高可靠电源的输出整流滤波、辅助电源的旁路。
聚合物电解电容器
高频开关电源的输出整流滤波、高电流变化率负载的电 源旁路
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电解电容的性能特点
（1）直流电压与交流叠加电压和纹波电压之和不能超过额定电压，且不发生反 极性现象
（2）电流不超过额定电流
铝电解电容器的电压与漏电流特性
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铝电解电容器的容量及容量误差
➢ 额定电容量
额定电容量是标称容量，定义在120Hz和25℃。
➢ 静电电容量
静电电容量即直流电容量，是在对电容器施加直流电压时测量其电荷得 到。