電解的并聯(lián)使用大家很熟悉,但是電解電容的串聯(lián)使用,如果沒有考慮電容均壓,將會(huì)導(dǎo)致壽命變短。
一、摘要
電解的并聯(lián)使用大家很熟悉,但是電解電容的串聯(lián)使用,如果沒有考慮電容均壓,將會(huì)導(dǎo)致壽命變短。
二、問題描述
本案例是一個(gè)直流30V供電的產(chǎn)品,由于客戶的現(xiàn)場有很多接觸器,接觸器工作瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的脈沖電壓,因此,在設(shè)計(jì)之初,由于 板卡高度原因,(關(guān)注公眾號(hào)@ 電路一點(diǎn)通)不能直接使用50V的電容,因此使用了2個(gè)35V的電容進(jìn)行串聯(lián)使用,理論上可以承受70V的耐壓。產(chǎn)品運(yùn)行了半年左右,大約有10%的產(chǎn)品的C1、C2電容鼓包,甚至爆漿失效。現(xiàn)場問題急需解決。
圖1;電容串聯(lián)導(dǎo)致鼓包
三、原因分析
產(chǎn)品返回公司以后,我們先懷疑由于電容串聯(lián)導(dǎo)致兩個(gè)電容的電壓不均衡,經(jīng)過使用萬用表實(shí)測,果然是電壓不均衡,產(chǎn)品施加50V時(shí),C1電壓接近30v,C2為20V左右。我們懷疑是產(chǎn)品工作時(shí)間長了導(dǎo)致電容的失效,從倉庫領(lǐng)出新的設(shè)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(lián)電容的電壓不均衡。
我們先復(fù)盤一下電容串聯(lián)的知識(shí)。
1. 理想電容的串聯(lián)計(jì)算方法.
電容的串聯(lián)推導(dǎo)過程如下:
圖2;理想電容串聯(lián)的計(jì)算過程
由此可見,電容串聯(lián),最簡便的方法就是兩個(gè)電容的規(guī)格完全一致,這樣才能保證兩者承受的電壓一樣。
2. 實(shí)際電容的漏電流的影響
第一步推導(dǎo)電容串聯(lián)只考慮了理想電容的模型,實(shí)際的鋁電解電容的實(shí)際模型如下圖,電容內(nèi)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(nèi)部可以等效為一個(gè)電阻Rdc,電容兩端施加電壓時(shí),就會(huì)有電流流過電容。
圖3;實(shí)際電容等效電路
考慮電容內(nèi)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(nèi)部等效電阻Rdc不可能做到完全一致,在電容達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后,C1、C2的電容電壓就會(huì)不一致。
圖4;實(shí)際電容等效電路
3. 漏電流的計(jì)算
既然要將內(nèi)部電容的電阻等效為一個(gè)電阻,就需要對漏電流進(jìn)行一個(gè)估算。一般采用的計(jì)算公式為:漏電流I≦KCU或3μA(取數(shù)值大者),
其中:
K:為系數(shù),取值在0.01~0.03之間,不同的廠家的系數(shù)不一樣,如果不確定,可以按照大的取值。
C:為標(biāo)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(gè)恒定的值,廠家給出的是在溫度20攝氏度,額定電壓下的值,實(shí)際應(yīng)用時(shí)與時(shí)間、問題、電壓都有關(guān)聯(lián),下圖就說明漏電流與這三者之間的關(guān)系。國內(nèi)廠家凱琦佳就給出了這三者的降額關(guān)系,可供參考。
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圖5;國內(nèi)廠家凱琦佳提供的漏電流估算方法
舉例子:額定規(guī)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(jīng)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,(關(guān)注公眾號(hào)@ 電路一點(diǎn)通)產(chǎn)品應(yīng)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(jīng)驗(yàn)值,并聯(lián)的電阻的電流大約5倍電容漏電流=5*595=2475uA。
產(chǎn)品最高可能為25V,因此等效的并聯(lián)電阻值R=U/I=25V/2475uA≈10.1K。
1、沒有增加并聯(lián)電阻R1、R2情況:
沒有增加外部電阻R1、R2時(shí),假設(shè)C1、C2的漏電流誤差一個(gè)為+10%,另一個(gè)為-10%,則Rdc1=55K,Rdc2=45K,根據(jù)電阻分壓可算出,VC1=22.5V,VC2=27.5V,可見兩者的電容嚴(yán)重不均衡,VC2的電壓明顯偏高。
2、增加并聯(lián)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(jù)分壓可以算出,同樣是C1、C2誤差±10%,最終VC1=25.4V,VC2=24.5V。兩個(gè)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(jié)
只要涉及到漏電流較大的電容,串聯(lián)使用時(shí)都應(yīng)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,每個(gè)電容廠商的漏電流估算方法都有差異,具體要咨詢廠家提供漏電流的估算方法。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:電容串聯(lián)電壓不均衡導(dǎo)致電容失效
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