工业电源中大型铝电解电容器的选择与认定

一．引言

    随着科学技术的发展，社会需求的提高，环境的改善，中国的工业电源正处于高速增长的时期，大型铝电解电容器的应用领域不断拓宽，需求量越来越大。在工业电源中无论是用于输入电路或输出电路，主要就是提供一个高能量贮存和低电阻设计，但怎样正确的选择电容器并不是一种微不足道的小事，选择好电容器需要各方面的知识如：机械、热传递和电气。 

二．大型铝电解电容器的结构特点

    大型铝电解电容器的芯包是经过腐蚀和化成氧化膜的阳极铝箔、经过腐蚀的阴极铝箔、中间隔着的电解纸，按照一定的工艺，通过大型卷绕设备卷绕而成。把芯包置于压力容器内，再浸渍工作电解液，然后密封在铝壳中而制成的。下图是典型的东西方电容器结构图。

    从图中可以看出，二者的区别在于亚洲厂家使用固定剂固定芯包，而欧美通过带固定柱的封装材料，使用阴极铝箔延伸出芯包、直接与铝壳接触的结构，从热力学热传递的角度，这种结构散热性能较好。根据客户的要求，这两种结构我们公司都有成熟的配套经验。

三．大型铝电解电容器的选择

[page]工业电源厂商在选择电容器时，首先可以根据自身设计的需要，从电容器厂商的样本上查找自己需要的规格，这其中我们要注意不可使电容器满负荷工作，避免在电路出现异常时，引起电容器的早期失效，我们建议电容器的工作电压为额定电压的60%~80%较为合适；其次也可以将自己的设计要求（包括电气要求、结构尺寸，安装方式和使用环境）提供给电容器厂商，让他们帮助选型，这样能更好的选择适合自己且性价比比较好的产品。

下表列举了江海CD138系列和欧洲某厂家的主要技术参数：

   其中tan δ =RESR/ (1/wC)= wC RESR(w指2πf，c指容量，R指等效串联电阻)
RESR=ESR（120 Hz）

    虽然铝电解电容器的原材料阳极铝箔有一定的离散范围，电性能也有一定的离散性，但是，亚洲电容器厂商通过对阳极铝箔的标志管理，将每卷铝箔裁切后分别卷绕成芯包，所以电性能的一致性方面做得很好，如静电容量、损耗角正切和漏电流等方面。特别是使用了一段时间后，作为电容器组使用更有优势。

下图是江海CD138系列与欧洲某厂家 400V6800μF产品寿命试验的电性能变化曲线图。

[page]四．大型铝电解电容器的认定

在根据以上技术要求确定电容器型号和规格后，如何进行评价呢？

    使用寿命公式，按电容器的规定工作电压和温度来测定预期的使用寿命。工作温度是规定的平均环境温度加上由纹波电流和漏电流引起的温升。与纹波电流功率相比，漏电流的功率很小，可以忽略不计。例1采用在中心热点装有热电偶的样品电容器来测量纹波电流引起的温升（东方常用方法），例2用功率损耗来计算温升（欧美计算方法）。如果是计算功率的话，则要计算每个关键频率上的功率，并将这些功率加起来变成总的功率。

例1：实际上机测试或模拟试验，测出中心温度，推算寿命。

已知:江海品 CD138 450V3300μF(85℃品)
纹波电流I_R（120Hz, 65℃）=19A
最高工作电压V’=400V
电容器中心允许的最高温度T₀=93.5℃
实力寿命L₀=8000小时

 测试方法: 在电容器中心埋入热电偶，并将电容器的盖板密封，示意如下：

将高温箱温度设定为85℃，正极引出线接在纹波电源的正极，负极引出线接在电源的负极，热电偶与温度记录仪连接后，放入高温箱。施加额定电压450V（叠加纹波电流即120Hz的正弦交流电流19A/只），直至温度平衡后，记录下测定值T=75℃。

计算:产品预期寿命L=L₀×2^{（T0-T）/10}×（WV/V’）^2.5=8000×2^{（93.5-75）/10}  ×(450/400) ^2.5=38000小时

例2：根据电容器厂商的资料及实际使用条件，计算中心温度，推算寿命。

    已知:欧洲某厂商 450V5600μF(85℃品)
电容器的使用环境温度Ta=65℃
纹波电流I_R1（360Hz）=15A，  纹波电流I_R2（3kHz）=26A
ESR1（360Hz，85℃）=4.6mΩ, ESR2（3kHz，85℃）=3.2mΩ
热阻R=2. 8℃/W
使用寿命L₀=20000小时
计算: P=I_R1²ESR1+ I_R2²ESR2=15²×4.6×10^-3+26²×3.2×10^-3=3.2W
     电容器中心温度T=Ta+P×R=65+3.2×2.8=74℃
     此温度完全满足85℃的使用条件. 
电容器的期望寿命L=20000×2 =42000小时

    还需指出的是，有些欧美电容器厂家对电容器寿命采用期望寿命的方式来定义，这与我们东方定义的高温负荷寿命（实验室寿命）完全不同，如需比较，最好在同等条件下进行。五．建议

1．  串并联使用

最好采用同一生产批号的电容器以确保具有相近的漏电流，或者采用额定电压较高的电容器以便能承受不同制造商生产出来的产品之间的电压不平衡，同时要确保串联的电容器具通风良好，有相同的热环境。

均压电阻，原则上电阻上流过的电流应比电容器的漏电流大5倍以上来选择电阻，避免由于电阻选择不当造成电容器上分压不平衡，甚至过压失效。

2．  电容器安装

电容器端子的螺丝有一定的扭距，扭距太大，接触不良，造成电路中接触电阻增大，端子异常发热，影响电容器使用寿命，严重时会螺丝断裂，端子螺纹破坏。

连接每个电容器时最好选择有一定厚度的铜板连接，一方面可以避免大电流通过时引起的发热，一方面可以扩大电容器的散热面积，尽量减少分布电感。

六．结束语

   铝电解电容器是工业电源的重要器件，选择专业的优秀电容器厂商，选择适合自身工业电源的电容器，是工业电源厂商比较关注的话题。希望我们的经验有所启示和借鉴，如有错误，敬请批评指正。