電容串聯電壓不均衡導致電容失效介紹
一、摘要
電解的并聯使用大家很熟悉,但是電解電容的串聯使用,如果沒有考慮電容均壓,將會導致壽命變短。
二、問題描述
本案例是一個直流30V供電的產品,由于現場有很多接觸器,接觸器工作瞬間會產生很高的脈沖電壓,因此,在設計之初,由于板卡高度原因,不能直接使用50V的電容,因此使用了2個35V的電容進行串聯使用,理論上可以承受70V的耐壓。產品運行了半年左右,大約有10%的產品的C1、C2電容鼓包,甚至爆漿失效。
圖1;電容串聯導致鼓包
三、原因分析
我們先懷疑由于電容串聯導致兩個電容的電壓不均衡,經過使用萬用表實測,果然是電壓不均衡,產品施加50V時,C1電壓接近30v,C2為20V左右。懷疑是產品工作時間長了導致電容的失效,用新的設備測試,C1和C2 的電壓均不均衡,兩者之間的誤差小的有2V,大的有5V以上。因此基本可以判定問題為串聯電容的電壓不均衡。
我們先復盤一下電容串聯的知識。
1. 理想電容的串聯計算方法.
電容的串聯推導過程如下:
圖2;理想電容串聯的計算過程
由此可見,電容串聯,最簡便的方法就是兩個電容的規格完全一致,這樣才能保證兩者承受的電壓一樣。
2. 實際電容的漏電流的影響
第一步推導電容串聯只考慮了理想電容的模型,實際的鋁電解電容的實際模型如下圖,電容內部的電流路徑可由鋁箔阻抗RA、RC、電解液阻抗R、以及等效二極管D,內部可以等效為一個電阻Rdc,電容兩端施加電壓時,就會有電流流過電容。
圖3;實際電容等效電路
考慮電容內部的漏電流影響后,可以等效為以下的電路,可見,由于C1、C2的內部等效電阻Rdc不可能做到完全一致,在電容達到穩態以后,C1、C2的電容電壓就會不一致。
圖4;實際電容等效電路
3. 漏電流的計算
既然要將內部電容的電阻等效為一個電阻,就需要對漏電流進行一個估算。一般采用的計算公式為:漏電流I≦KCU或3µA(取數值大者),
其中:
K:為系數,取值在0.01~0.03之間,不同的廠家的系數不一樣,如果不確定,可以按照大的取值。
C:為標稱電容量(單位µF);
U:為額定電壓(單位V),
漏電流I的單位為µA。
值得注意的是,漏電流不是一個恒定的值,給出的是在溫度20攝氏度,額定電壓下的值,實際應用時與時間、問題、電壓都有關聯,下圖就說明漏電流與這三者之間的關系。給出了這三者的降額關系,可供參考。
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圖5;漏電流估算方法
舉例子:額定規格為220uF/35V/105℃的電解電容,用于DC30V、溫度70℃條件下,漏電流的估算I=Kc*Kv*KCU=6*50%*0.03*220uF*30V=594uA。
四、解決方案
經過上述分析可知,主要是忽略了漏電流的影響。因此需要先估算出電容的漏電流,產品應用場景約40攝氏度,因此額定220uF/25v/105℃的電容,估算的漏電流為:
I=Kc*Kv*KCU=3*100%*0.03*220uF*25V=495uA,等效的電阻=U/I=50K
按照經驗值,并聯的電阻的電流大約5倍電容漏電流=5*595=2475uA。
產品最高可能為25V,因此等效的并聯電阻值R=U/I=25V/2475uA≈10.1K。
1、沒有增加并聯電阻R1、R2情況:
沒有增加外部電阻R1、R2時,假設C1、C2的漏電流誤差一個為+10%,另一個為-10%,則Rdc1=55K,Rdc2=45K,根據電阻分壓可算出,VC1=22.5V,VC2=27.5V,可見兩者的電容嚴重不均衡,VC2的電壓明顯偏高。
2、增加并聯電阻R1、R2情況:
增加外部電阻10K的電阻R1、R2,可以算出分壓電阻上臂為8.46K,下臂為8.18K,根據分壓可以算出,同樣是C1、C2誤差±10%,最終VC1=25.4V,VC2=24.5V。兩個電容的分壓很接近均衡。
圖6;增加外部電阻R1、R2使得電容電壓均衡
五、總結
只要涉及到漏電流較大的電容,串聯使用時都應該考慮其漏電流的影響,這些電容包括電解電容、超級電容等,本案例的漏電流僅提供參考,具體要看漏電流的估算方法。
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