电容器的发热特性

周二, 19 十一月 2019 - 13:57

我们一般讨论电容的时候会关注电容的温度特性，即：温度对容值等参数的影响。但是我们知道电容本身也是会发热的：只要有电阻，又有电流，就会有电能转化为热能。

关于电容器的发热量

随着电子设备的小型化，轻量化，部件的安装密度高，放热性低，装置温度易升高。尤其是功率输出电路元件的发热虽对设备温度的上升有重要影响，

但电容器通过大电流的用途(开关电源平滑用、高频波功率放大器的输出连接器用等)中起因于电容器损失成分的功率消耗变大，使得自身发热因素无法忽视。因此应在不影响电容器可靠性的范围内抑制电容器的温度上升。

理想的电容器是只有容量成分，但实际的电容器包括电极的电阻因素、电介质的损失、电极电感因素，具体可用图1中的等价电路表示。

交流电流通过此类电容器时，会因电容器的电阻成分(ESR)，产生式

1-1中所示的功率消耗Pe，则电容器发热。

我们知道电容是储能的，在理想电容储能的过程中，进出的电流通过ESR（等效串阻）上消耗的能量就是产生的热量。

电容器的发热特性

此外，在电容率的电压依赖性为非线形的高电容率类电容器中（电容的主要电气特性为C，电容。而电容器的寄生参数如ESR、ESL相对影响较小），需同时观察加在电容器上的交流电流与交流电压。小容量的温度补偿型电容器应具备100MHz以上高频中的发热特性，因此须在反射较少的状态下进行测量。

1、电容器的发热特性测量系统

高电容率类电容器（DC～1MHz区域）发热特性测量系统的概略如图.2所示。

用双极电源将信号发生器的信号增幅，加在电容器上。用电流探头（通用探头）观察此时的电流，使用电压探头观察电容器的电压。同时用红外线温度计测量电容器表面的温度，明确电流、电压及表面温度上升的关系。

温度补偿型电容器（10MHz～4GHz带宽）发热特性测量系统的概略和测量状态如图.3所示。

组成系统的设备及电缆类均统一为50Ω，将测量试料装在形成微带线的基板上，两端装有SMA连接器。用高频波放大器（Amplifier）增幅信号发生器（Signal GENERATOR）的信号，用定向耦合器（Coupler）观察反射同时即施加在试料（DUT）上。用衰减器（Attenuator）使通过试料输出的信号衰减，用电力计（Power Meter）观测。同时观测试料表面温度。

2、电容器的发热特性数据

作为高介电常数的片状多层陶瓷电容器系列发热特性的测量数据，3216型10uF的B特性6.3V的发热特性数据、阻抗和ESR的频率特性如图.4所示。

表示100kHz、500kHz、1MHz中交流电流与温度上升的关系和阻抗（Z）及ESR®与频率的关系。可确认发热特性按100kHz>500kHz>1MHz的顺序逐渐变小。其实ESR与C进行分压，频率变高时，C的阻抗变大，ESR的分压变化（此处分析电流也是一样的变化趋势），同时ESR本身也有变化（右图中的绿色曲线）。频率越高，

此外，ESR在100kHz时为10mΩ，在500kHz时为6mΩ，在1MHz时为5mΩ，可确认不同频率的等效电阻的变化，影响发热特性。

电源设计中的电容发热计算

在电源设计中，纹波是导致电容自发热的原因之一，电容起着电荷库的作用，当电压增加时，它们被充电；电压降低时，它们向负载放电；它们实质上起着平滑信号的作用。当电容受到纹波电压非直流电压时，电容将经历变化的电压，并根据施加的电源，还可能有变化的电流，以及连续和间歇性的脉动功率。无论输入形式为何，电容电场经历的变化将导致介电材料中偶极子的振荡，从而产生热量。这一被称为自发热的反应行为，是介电性能成为重要指标的主要原因之一，因为任何寄生电阻(ESR)或电感(ESL)都将增加能耗。

理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻、电感，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。一个不“完美”的电容其等效电路可看成由电阻、电容、电感组成，如下图为一个不“完美”的钽电容，其等效电路由电阻、电容、电感、二极管串并联电路组成。

（铝电解电容有近似的特性）

ESR、Z与频率关系曲线

由上图可知，该钽电容器SRF（自谐振频率）在500KHz左右，该点Z值最小，谐振频率点之前电容呈容性，谐振点之后电容呈感性，也就是说在频率很高，超过电容自谐振频率的情况下，电容就不在是"电容"了，此时的功率损耗主要由电容的寄生电感引起，P耗=I2rms·2πf·L，所以高频下，低ESR、ESL电容的发热少。

电容电介质很薄，就电容的总质量来说，它可能仅占一小部分，所以在评估波纹时，也需考虑其结构中所用的其它材料。例如，无极性电容(如陶瓷或薄膜电容)中的电容板是金属的；而极性电容(如钽或铝)，具有一个金属阳极(而在铌氧化物技术中，阳极是导电氧化物)和一个电解质阴极(如二氧化锰或导电聚合物)。在内外部连接或引脚上，还有各种导电触点，包括金属(如：铜、镍、银钯和锡等)和导电环氧树脂等都会增加阻抗成份，当AC信号或电流通过这些材料（材料阻抗成份即电容器等效串联电阻ESR）时，它们都会有一定程度的发热。

要了解这些因素如何发挥作用，我们以使用固体钽电容器在直流电源输出级平滑残留AC纹波电流为例。首先，由于它是有极性电容器，所以需要一个正电压偏置，以防止AC分量引起反向偏压情况的发生。该偏置电压通常是电源的额定输出电压。

纹波电压叠加在偏置电压上

Voltage:电压 Time:时间

钽电容纹波发热是由于通过钽电容的纹波电流在钽电容等效串联电阻上生产了功率损耗。我们看由在给定频率下电流的纹波值在钽电容等效串联电阻产生的功耗(等于I2R，其中“I”是电流均方根[rms])。

P耗=I2rms·ESR（由纹波电流引起的功耗）

Irms：一定频率下的纹波电流，ESR：电容等效串联电阻。

我们以考察一个正弦纹波电流及其RMS等效值入手。如果在某一频率，我们使一个1A Irms的电流流经一个100mΩESR的电容，其产生的功耗是100mW。若连续供电，基于电容元件结构和封装材料的热容量、以及向周围散热所采取的所有措施(例如：对流、传导和辐射的组合)，该电流将使电容在内部发热，直到它与周围环境达到平衡。

电容发热的次要因素

另外在我们考虑纹波前，我们必须注意由施加的直流偏压产生的发热。电容不是理想器件，一种寄生现象是跨接介电材料的并联电阻（RLi），该电阻将导致漏电流的发生。这个小DC电流会导致发热，但是不像其它典型应用的纹波状态，该发热通常可忽略不计。电容漏电流引起的功耗可由下式计算：

P耗=I2DCL·R（由漏电流引起的功耗）

IDCL：指钽电容漏电流， R：是跨接介电材料的并联电阻(近似于钽电容绝缘电阻)

如图1中100uF/16V钽电容等效电路的绝缘电阻RLi等于1.1MΩ,在室温下，其IDCL不超过10uA(100uA@85℃)，所以其最大功耗约为0.11mW，在这种情况，纹波发热是DC漏电流发热的1000倍，因此后者(如前所述)可以忽略不计。

当工作电压超过电容最大承受电压、极性电容反向、电容器介质绝缘性能下降等情况使用，此时电容发热主要由漏电流引起，如下图以电解电容为例说明。

电解电容器为极性电容，因电解电容器介质氧化膜具有单向导电性，下图为电解电容介质氧化膜耐压与漏电流伏安特性曲线图，与二极管伏安特性图类似。

电解电容器介质氧化膜V-I特性曲线图

图6为电解电容器介质氧化膜V-I特性曲线图，决定了电解电容器单向导电性，是有极性电解电容器。由于阴极箔表面有自然氧化的氧化膜，可耐极低的反向电压。给电解电容器加反向电压，会造成电解电容器阳极表面介质氧化膜击穿、破损，且在反向电流作用下破损的介质氧化膜无法修复，导致介质氧化膜绝缘性能下降，电解电容器内部漏电流DCL会急剧增大，内部漏电流DCL通过绝缘电阻会产生功率损耗，最终导致电解电容器发热。可以说漏电流是衡量电容器介质绝缘性能好坏的标志，对于一些精密电路和漏电流敏感电路使用电容器时，检测电容的漏电流或绝缘电阻是不可忽略的。

来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/Su5HXWDNhPi-bQNkt7kNjQ">硬件十万个为什么</a>