工程師手冊：電源設計中的電容選用規則講解

　　50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動電壓頻率僅為100赫茲，充放電時間是毫秒數量級。為獲得更小的脈動系數，所需的電容量高達數十萬微法，因此普通低頻鋁電解電容器的目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達數萬赫茲，甚至是數十兆赫茲。這時電容量并不是其主要指標，衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗，同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。

　　許多電子設計者都知道濾波電容在電源中起的作用，但在開關電源輸出端用的濾波電容上，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，其上的脈動電壓頻率僅有 100 赫茲，充放電時間是毫秒數量級，為獲得較小的脈動系數，需要的電容量高達數十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造，目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。

　　在開關穩壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，其上鋸齒波電壓的頻率高達數十千赫，甚至數十兆赫，它的要求和低頻應用時不同，電容量并不是主要指標，衡量它好壞的則是它的阻抗一頻率特性，要求它在開關穩壓電源的工作頻段內要有低的等的阻抗，同時，對于電源內部，由于半導體器件開始工作所產生高達數百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10 千赫左右，其阻抗便開始呈現感性，無法滿足開關電源使用要求。

　　普通的低頻電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現感性，無法滿足開關電源的使用要求。而開關電源專用的高頻鋁電解電容器有四個端子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。電流從四端電容的一個正端流入，經過電容內部，再從另一個正端流向負載;從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。

　　開關穩壓電源專用的高頻鋁電解電容器，它有四端個子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。穩壓電源的電流從四端電容的一個正端流入，經過電容內部，再從另一個正端流向負載;從負載返回的電流也從電容的一個負端流入，再從另一個負端流向電源負端。因為四端電容具有良好的高頻特性，它為減小輸出電壓的脈動分量以及抑制開關尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

　　開關穩壓電源具有多功能綜合保護：穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外，還應具有過壓保護（超過輸出電壓的+10%）、欠壓保護（低于輸出電壓的 -10%）、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。尖脈沖抑制（可選）：電網有時會出現幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

　　高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，它將鋁箔分成較短的若干小段，用多引出片并聯連接以減小容抗中的電阻成份，同時，采用低電阻率的材料并用螺桿作為引出端子，以增強電容器承受大電流的能力。

　　疊片電容也稱為無感電容，一般電解電容器的芯子都卷成圓柱形，等效串聯電感較大;疊片電容的結構和書本相仿，因流過電流產生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了電感的數值，具有更為優良的高頻特性，這種電容一般做成方形，便于固定，還可以適當減小占機體積。

　　2.吸收與換相電容器

　　隨著柵控半導體器件的額定功率越做越大，開關速度越來越快，額定電壓越來越高，對緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優異的高頻特性是不夠的。

　　在大功率電力電子電路中，由于IGBT 的開關速度已小于1μs，要求吸收電路電容器上的電壓變化速率dv/dt》 V/μs 已是很正常的，有的要求 V/μs 甚至 V/μs。

　　對于普通電容器，特別是普通金屬化電容器的dv/dt《100V/μs，特殊金屬化電容器的dv/dt≤200V/μs，專用雙金屬化電容器小容量（小于10nF）的dv/dt≤1500V/μs，較大容量（小于0.1μF）的則為600V/μs，在這種巨大且重復率很高的峰值電流沖擊下是很難承受的。損壞電力電子電路的現象。

　　目前吸收電路專用電容器，即金屬箔電極可承受較大的峰值電流和有效值電流沖擊，如：較小容量（10nF 以下）的可承受100000V/μs～455000V/μs 的電壓變化率、3700A 峰值電流和達9A 有效值電流（如CDV30FH822J03）;較大容量（大于10nF，小于0.47μF）或較大尺寸的可承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值電流的沖擊。

　　由此可見，盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容，應用在吸收電路中將有不同的表現，外形相近但規格不同在這里是絕對不能互換的。電容器的尺寸將影響電容器的dv/dt 及峰值電流的耐量，一般而言，長度越大dv/dt 和峰值電流則相對較小。

　　吸收電路中電容器的工作特點是高峰值電流占空比小，有效值電流不十分高，與這種電路相似的還有晶閘管逆變器的換相電容器，盡管這種電容器要求的dv/dt 較吸收電容器小，但峰值電流與有效值電流均較大，采用普通電容器在電流方面不能滿足要求。

　　在某些特殊應用中要求儲能電容器反復急促放電，而且放電回路電阻極低、寄生電感很小，在這種場合下只能將吸收電容并聯使用以保證長期使用的可靠性。

　　3.諧振電容器

　　諧振式變換器，如諧振式開關穩壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器，工作時往往流過很大電流。又如電子鎮流器的諧振電容規格選擇不當時，會出現電容上電壓雖沒達到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電流而損壞的現象。

　　在含有電容和電感的電路中，如果電容和電感并聯，可能出現在某個很小的時間段內：電容的電壓逐漸升高，而電流卻逐漸減少;與此同時電感的電流卻逐漸增加，電感的電壓卻逐漸降低。而在另一個很小的時間段內：電容的電壓逐漸降低，而電流卻逐漸增加;與此同時電感的電流卻逐漸減少，電感的電壓卻逐漸升高。電壓的增加可以達到一個正的最大值，電壓的降低也可達到一個負的最大值，同樣電流的方向在這個過程中也會發生正負方向的變化，此時我們稱為電路發生電的振蕩。

　　電路振蕩現象可能逐漸消失，也可能持續不變地維持著。當震蕩持續