電解電容發(fā)熱的原因是什么 詳解電解電容發(fā)熱之緣由
信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2021-08-31
本文主要介紹的是關(guān)于電解電容發(fā)熱原因解析，探討了電解電容發(fā)熱的主要因素，希望本文能讓你對電解電容法發(fā)熱現(xiàn)象有更全面的理解。
電解電容是電容的一種，金屬箔為正極（鋁或鉭），與正極緊貼金屬的氧化膜（氧化鋁或五氧化二鉭）是電介質(zhì)，陰極由導(dǎo)電材料、電解質(zhì)（電解質(zhì)可以是液體或固體）和其他材料共同組成，因電解質(zhì)是陰極的主要部分，電解電容因此而得名。同時電解電容正負(fù)不可接錯。鋁電解電容器可以分為四類：引線型鋁電解電容器；牛角型鋁電解電容器；螺栓式鋁電解電容器；固態(tài)鋁電解電容器。
電解電容器通常是由金屬箔（鋁/鉭）作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層（氧化鋁/鉭五氧化物）作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過電解質(zhì)液（液態(tài)電解質(zhì)）的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成；鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極（注意和電介質(zhì)區(qū)分），電解電容器因而得名。
有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波、退耦、信號耦合及時間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用。一般不能用于交流電源電路，在直流電源電路中作濾波電容使用時，其陽極（正極）應(yīng)與電源電壓的正極端相連接，陰極（負(fù)極）與電源電壓的負(fù)極端相連接，不能接反，否則會損壞電容器。
無極性電解電容器通常用于音箱分頻器電路、電視機S校正電路及單相電動機的起動電路。
電解電容器廣泛應(yīng)用于家用電器和各種電子產(chǎn)品中，其容量范圍較大，一般為1~33000μF，額定工作電壓范圍為6.3~700V。其缺點是介質(zhì)損耗、容量誤差較大（最大允許偏差為+100%、-20%），耐高溫性較差，存放時間長容易失效。
電解電容的極性，注意觀察在電解電容的側(cè)面有“-”是負(fù)極、“+”是正極，如果電解電容上沒有標(biāo)明正負(fù)極，也可以根據(jù)它的引腳的長短來判斷，長腳為正極，短腳為負(fù)極。
什么是紋波
紋波的定義是指在直流電壓和電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。在評估紋波時，通常圍繞紋波電壓和紋波電流這兩個組成部分來進(jìn)行。在大多數(shù)應(yīng)用中，紋波和噪聲是工程師要最大限度抑制的一種電路狀態(tài)。例如，在將交流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流輸出的AC-DC轉(zhuǎn)換器中，要竭力避免AC電源會以一種小幅、根據(jù)頻率的變化信號疊加在DC輸出之上的一種現(xiàn)象。另外，對采用鉭、鋁和鈮氧化物等有極性的電容器來說，還有另一個需特別注意的地方：不要讓紋波電壓的最小值掉到零電位以下，因為這將導(dǎo)致有極性電容工作在反向偏壓條件。
電容發(fā)熱的主要因素
紋波是導(dǎo)致電容自發(fā)熱的原因之一，電容起著電荷庫的作用，當(dāng)電壓增加時，它們被充電；電壓降低時，它們向負(fù)載放電；它們實質(zhì)上起著平滑信號的作用。當(dāng)電容受到紋波電壓非直流電壓時，電容將經(jīng)歷變化的電壓，并根據(jù)施加的電源，還可能有變化的電流，以及連續(xù)和間歇性的脈動功率。無論輸入形式為何，電容電場經(jīng)歷的變化將導(dǎo)致介電材料中偶極子的振蕩，從而產(chǎn)生熱量。這一被稱為自發(fā)熱的反應(yīng)行為，是介電性能成為重要指標(biāo)的主要原因之一，因為任何寄生電阻(ESR)或電感(ESL)都將增加能耗。
理論上，一個完美的電容，自身不會產(chǎn)生任何能量損失，但是實際上，因為制造電容的材料有電阻、電感，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е码娙葑兊貌弧巴昝馈?。一個不“完美”的電容其等效電路可看成由電阻、電容、電感組成，如下為一個不“完美”的鉭電容，其等效電路由電阻、電容、電感、二極管串并聯(lián)電路組成。
AVX TAJ系列規(guī)格100uF/16V鉭電容器詳細(xì)等效電路
容量與頻率關(guān)系曲線
DF與頻率關(guān)系曲線
ESR、Z與頻率關(guān)系曲線
由上可知，該鉭電容器SRF（自諧振頻率）在500KHz左右，該點Z值最小，諧振頻率點之前電容呈容性，諧振點之后電容呈感性，也就是說在頻率很高，超過電容自諧振頻率的情況下，電容就不在是"電容"了 ，此時的功率損耗主要由電容的寄生電感引起，P耗=I2rms·2πf·L，所以高頻下，低ESR、ESL電容的發(fā)熱少。
電容電介質(zhì)很薄，就電容的總質(zhì)量來說，它可能僅占一小部分，所以在評估波紋時，也需考慮其結(jié)構(gòu)中所用的其它材料。例如，無極性電容(如陶瓷或薄膜電容)中的電容板是金屬的；而極性電容(如鉭或鋁)，具有一個金屬陽極(而在鈮氧化物技術(shù)中，陽極是導(dǎo)電氧化物)和一個電解質(zhì)陰極(如二氧化錳或?qū)щ娋酆衔?。在內(nèi)外部連接或引腳上，還有各種導(dǎo)電觸點，包括金屬(如：銅、鎳、銀鈀和錫等)和導(dǎo)電環(huán)氧樹脂等都會增加阻抗成份，當(dāng)AC信號或電流通過這些材料（材料阻抗成份即電容器等效串聯(lián)電阻ESR）時，它們都會有一定程度的發(fā)熱。
要了解這些因素如何發(fā)揮作用，我們以使用固體鉭電容器在直流電源輸出級平滑殘留AC紋波電流為例。首先，由于它是有極性電容器，所以需要一個正電壓偏置，以防止AC分量引起反向偏壓情況的發(fā)生。該偏置電壓通常是電源的額定輸出電壓。
紋波電壓疊加在偏置電壓上
Voltage:電壓 Time:時間
鉭電容紋波發(fā)熱是由于通過鉭電容的紋波電流在鉭電容等效串聯(lián)電阻上生產(chǎn)了功率損耗。我們看由在給定頻率下電流的紋波值在鉭電容等效串聯(lián)電阻產(chǎn)生的功耗(等于I2R，其中“I”是電流均方根[rms])。
P耗=I2rms·ESR（由紋波電流引起的功耗）
Irms：一定頻率下的紋波電流，ESR：電容等效串聯(lián)電阻。
我們以考察一個正弦紋波電流及其RMS等效值入手。如果在某一頻率，我們使一個1A Irms的電流流經(jīng)一個100mωESR的電容，其產(chǎn)生的功耗是100mW。若連續(xù)供電，基于電容元件結(jié)構(gòu)和封裝材料的熱容量、以及向周圍散熱所采取的所有措施(例如：對流、傳導(dǎo)和輻射的組合)，該電流將使電容在內(nèi)部發(fā)熱，直到它與周圍環(huán)境達(dá)到平衡。
電容發(fā)熱的次要因素
另外在我們考慮紋波前，我們必須注意由施加的直流偏壓產(chǎn)生的發(fā)熱。電容不是理想器件，一種寄生現(xiàn)象是跨接介電材料的并聯(lián)電阻（RLi），該電阻將導(dǎo)致漏電流的發(fā)生。這個小DC電流會導(dǎo)致發(fā)熱，但是不像其它典型應(yīng)用的紋波狀態(tài)，該發(fā)熱通?？珊雎圆挥嫛ｋ娙萋╇娏饕鸬墓目捎上率接嬎悖?br />
P耗=I2DCL·R（由漏電流引起的功耗）
IDCL：指鉭電容漏電流， R：是跨接介電材料的并聯(lián)電阻(近似于鉭電容絕緣電阻)
如1中100uF/16V鉭電容等效電路的絕緣電阻RLi等于1.1Mω,在室溫下，其IDCL不超過10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗約為0.11mW，在這種情況，紋波發(fā)熱是DC漏電流發(fā)熱的1000倍，因此后者(如前所述)可以忽略不計。
當(dāng)工作電壓超過電容最大承受電壓、極性電容反向、電容器介質(zhì)絕緣性能下降等情況使用，此時電容發(fā)熱主要由漏電流引起，如下以電解電容為例說明。
電解電容器為極性電容，因電解電容器介質(zhì)氧化膜具有單向?qū)щ娦?，下為電解電容介質(zhì)氧化膜耐壓與漏電流伏安特性曲線，與二極管伏安特性類似。
電解電容器介質(zhì)氧化膜V-I特性曲線
6為電解電容器介質(zhì)氧化膜V-I特性曲線，決定了電解電容器單向?qū)щ娦?，是有極性電解電容器。由于陰極箔表面有自然氧化的氧化膜，可耐極低的反向電壓。給電解電容器加反向電壓，會造成電解電容器陽極表面介質(zhì)氧化膜擊穿、破損，且在反向電流作用下破損的介質(zhì)氧化膜無法修復(fù)，導(dǎo)致介質(zhì)氧化膜絕緣性能下降，電解電容器內(nèi)部漏電流DCL會急劇增大，內(nèi)部漏電流DCL通過絕緣電阻會產(chǎn)生功率損耗，最終導(dǎo)致電解電容器發(fā)熱?？梢哉f漏電流是衡量電容器介質(zhì)絕緣性能好壞的標(biāo)志，對于一些精密電路和漏電流敏感電路使用電容器時，檢測電容的漏電流或絕緣電阻是不可忽略的。
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