铝电解电容器承受纹波电流的能力分析

第1页，共4页铝电解电容器承受纹波电流的能力分析CD11H-100V-10μF-M（相对应SAMXONGFSeries）产品在实际使用时，外形尺寸φ10×20与φ16×25比较，前者易失效，而后者不易失效。初步分析如下：电解电容应用于电路中，主要是作为电源的滤波元件，讯号的旁路、耦合等，它们在工作时有一个共同的特点就是在直流电压上要叠加不同频率的交流成份，即有纹波电压作用在电容器上，从而就有纹波电流通过电容器。1）.当有纹波电流通过电容器时，一方面，由于功率损耗（P）而使电容器内部温度上升、发热；另一方面，也通过电容器外表向周围附近环境散热（P′）：ⅰ.LIVrIP⋅+=2~…………(1)式中：I~……纹波电流（Arms）r……等效串联电阻(Ω)IL…...漏电流V…..施加的直流电压因为lIV⋅《rI2~，所以（1）式可近似为：rIP⋅=2~………(2)ⅱ.TSPΔ⋅⋅=′a………….(3)式中：α……散热系数（W/cm2.℃）S….….产品表面积（cm2）⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=)4(4LDDSpΔT..…...产品温升（℃）（由纹波电流引起产品自身温度与环境温度的温差）当发热与散热达到平衡时，则有P=P′即TSrIΔ⋅⋅=⋅a2~………(4)依上述公式（4），则CD11H-100V-10μF-M的产品外壳尺寸不同，但在同一电路同一位置使用时，所通过的稳波电流是相同的，此时产品温升为：外壳尺寸为φ10×20时：外壳尺寸为φ16×25时：1010102~10SrIT⋅⋅=Δa………(5)1616162~16SrIT⋅⋅=Δa………(6)则有1610161010161610161006.214.325.214.36.4rrrrSrSrTT×=××××=⋅⋅=ΔΔ………(7)第2页，共4页分别取尺寸为φ10×20&φ16×25的CD11H-100V-10μF-M的产品，在不同频率(f)测其r值如下：f(HZ)120HZ(Ω)1KHZ(Ω)10KHZ(Ω)100KHZ(Ω)备注r101.4700.3700.1670.133rr161.5700.2080.0490.032Sample为万裕三信品依公式（7），则有120HZ时，93.1570.1470.106.206.216101610≈×=×=ΔΔrrTT得1610930.1TTΔ=Δ………(8)1KHZ时，66.3208.0370.006.206.216101610≈×=×=ΔΔrrTT得161066.3TTΔ=Δ…………(9)10KHZ时，02.7049.0167.006.206.216101610≈×=×=ΔΔrrTT得161002.7TTΔ=Δ………(10)100KHZ时，56.8032.0133.006.206.216101610≈×=×=ΔΔrrTT得161056.8TTΔ=Δ….…(11)公式（8）、（9）、（10）、（11）所反应的是两个不同外壳尺寸产品在不同频率（f）下的温升关系，即如果在100KHZ时，尺寸为φ16×25产品的温升ΔT16为1℃时，尺寸为φ10×20产品温升为8.56℃；因此可推断在100KHZ时，如果尺寸为φ16×25的产品工作时，产品中心温度为40℃，环境温度为25℃时（产品温升ΔT16为15℃），此时尺寸为φ10×20产品温升为ΔT10=8.56x15℃=128.4℃，产品中心温度为128.4℃+25℃=153.4℃完全超出了它的最高使用温度105℃，将对产品性能产生影响甚至防爆阀打开失效。其它依此类推。2）.通常，在产品目录或承认书中，都会根据产品的最大DF值或r值给出每个产品在特定频率下的最大允许纹波电流I~(MaxAllowableRippleCurrent)（一般以温升5℃左右计），故对于CD11H-100V-10μF-Mφ10×20&φ16×25产品的最大允许纹波电流计算如下：依公式（4）rTSIΔ⋅⋅=a2~则有rTSIΔ⋅⋅=a~………….(12)第3页，共4页ⅰ.产品在100Hz频率下的最大允许纹波电流I~由电容器的r、tgδ、ω关系tgδ=ωCr知：dwatgCTSI⋅Δ⋅⋅=~………….(13)将产品在120Hz的最大tgδ值（0.08）代入(13)式中，得外壳尺寸为φ10×20时：mAI7408.0514.325.21014.31002002.010~≈×××××××=（at100Hz）外壳尺寸为φ16×25时：mAI10608.0514.360.41014.31002002.016~≈×××××××=（at100Hz）ⅱ.产品在1KHz、10KHz、100KHz频率下的最大允许纹波电流I~由公式（4）可知，对于同一个产品在不同频率下允许的纹波电流为：222121rIrI⋅=⋅得1212IrrI⋅=………..(14)则有外壳尺寸为φ10×20时：mAI14774370.0470.110~≈×=（at1KHz）mAI22074167.0470.110~≈×=（at10KHz）mAI24674133.0470.110~≈×=（at100KHz）外壳尺寸为φ16×25时：mAI291106208.0570.116~≈×=（at1KHz）mAI600106049.0570.116~≈×=（at10KHz）mAI742106032.0570.116~≈×=（at100KHz）上述结果分别为φ10×20、φ16×25产品在实际使用时各频率下所能承受的最大第4页，共4页纹波电流（MaxAllowableRippleCurrent）,其它频率下的MaxAllowableRippleCurrent可依上述公式推算。总之，电容器在实际使用时如果超过电容器规定的MaxAllowableRippleCurrent，产品温度就会升高，超出其最高使用温度，就会对电容器性能产生影响，从而影响整个电路。因此，当设计电子线路时，须根据电容器使用的环境温度、所通过的纹波电流（或作用其上的纹波电压）等，选择合适的电容器。如能确定实际纹波电流在尺寸φ10×20所能承受的最大纹波电流与尺寸φ16×25所能承受的最大纹波电流之间，可试用尺寸为φ13×25的产品。因为它相对于φ10×20来讲，因产品表面积扩大，其散热亦更好，相对应所能承受的纹波电流（I~）也就大；而相对于φ16×25来讲，则缩小了体积、降低了成本。当然，须经确认电路之纹波电流的大小，才可以确定是否可采用。