許斌 雷帥 彭振東 侯勝利 呂欣悅 馬嘉

【摘? 要】本文以商用車EPS為背景，對混合電容和鋁電解電容紋波特性和溫升特性進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明：混合電容具有更小的紋波，且溫升明顯低于鋁電解電容。此研究可為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計中電解電容的選型提供一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】固液混合電容;鋁電解電容;紋波;溫升;商用車EPS;壽命

中圖分類號：U463.63? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0062-02

【Abstract】Based on the background of commercial vehicle EPS，this paper compares the ripple characteristics and temperature rise characteristics of hybrid capacitors and aluminum electrolytic capacitors. The results show that the hybrid capacitor has smaller ripple and the temperature rise is significantly lower than that of aluminum electrolytic capacitors. It can provide a certain reference value for the selection of electrolytic capacitors in the design of related products.

【Key words】solid-liquid hybrid capacitor;aluminum electrolytic capacitor;ripple;temperature rise;commercial vehicle EPS;lifetime

作者簡介

許斌（1983—），男，碩士，高級工程師;雷帥（1996—），男，碩士。

鋁電解電容具有容量大、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，是商用車EPS設(shè)計過程中不可或缺的元器件之一，也是電源模塊中必不可少的元器件。電解電容是一種故障率高且壽命短的元器件，電子產(chǎn)品中60%的失效均是由電解電容失效引起的[1-2]。電解電容的選型關(guān)系到整個產(chǎn)品的可靠性及使用壽命，尤其是在EPS領(lǐng)域，產(chǎn)品的可靠性關(guān)系到駕駛員的人身安全[3]。目前大部分的EPS產(chǎn)品采用的是鋁電解電容，由于鋁電解電容的ESR（Equivalent Series Resistance，等效串聯(lián)電阻）高，而電容的ESR和容值成反比，相同額定電壓下，容量越大，ESR越小[4-5]。為了減小ESR，選型時鋁電解電容值都比較大，這也增大了產(chǎn)品的體積和質(zhì)量?；旌想娙菔腔诠虘B(tài)電容技術(shù)發(fā)展出來的，它既使用了固態(tài)導(dǎo)電高分子，也使用了液態(tài)電容中的電解液，其通過電解液的修復(fù)氧化膜作用，提高了電容的耐壓效果，又保持了固態(tài)電容低ESR的優(yōu)點(diǎn)，因此在選型時混合電容的容值較小，能夠顯著減小產(chǎn)品的體積和質(zhì)量[6-7]。本文主要對混合電容和鋁電解電容的紋波特性、溫升特性進(jìn)行對比測試，為相關(guān)EPS產(chǎn)品設(shè)計及開關(guān)電源中電解電容的選型提供一定的參考。

1? 影響電容壽命的要因

電解電容的安全工作區(qū)域由額定紋波電流與最高允許使用溫度構(gòu)成，電容老化失效機(jī)理指出環(huán)境溫度和紋波電流是影響電容使用壽命的主要因素[8-10]。影響電容壽命的原因一方面是環(huán)境溫度的影響，溫度每上升10℃，電解電容的使用壽命將縮減一半，另一方面是由于紋波的影響，紋波流過電解電容，其內(nèi)部的等效串聯(lián)內(nèi)阻導(dǎo)致電容自身發(fā)熱，電解電容壽命預(yù)測見公式（1）[11-12]：

式中：T——實際工作溫度;T0——最高允許工作溫度;L——實際工作溫度下的壽命;L0——最高允許工作溫度下的壽命;ΔT——電解電容內(nèi)部中心溫升;K——紋波系數(shù)。

通常電解電容內(nèi)部中心的溫升不能直接測得，需根據(jù)表1的換算關(guān)系求得。

2? 電解電容選型

電解電容選型時主要的參數(shù)有容量、耐壓值、紋波電流以及壽命等[14]。為了對比鋁電解電容及混合電容的性能，選取了市面上各方面性能比較好的鋁電解電容和混合電容各1款，相關(guān)參數(shù)見表2。

本文以商用車EPS項目為背景，其電源輸入部分的原理如圖1所示，有2個電解電容C5和C6，其中BUS是給EPS的三相橋式驅(qū)動電路供電[15]，然后分別對比測試了這2種電容在三相電流分別為5A、10A、15A、20A時的紋波電壓以及電流為20A時電解電容的溫升情況。

3? 鋁電解電容和混合電容紋波對比

對比了鋁電解電容和混合電容這2種電容在三相電流分別為5A、10A、15A、20A時的紋波。鋁電解電容不同輸出電流時的紋波電壓如圖2所示，混合電容不同輸出電流時的紋波電壓如圖3所示。

從圖中可以看出，相比于鋁電解電容，混合電容的過沖更小，但是紋波比混合電容大，主要原因可能是由于鋁電解電容的容值為2200μF，而混合電容的容值為270μF，采用的2個混合電容容值太小，導(dǎo)致紋波電壓偏大。因此增加1個混合電容C7進(jìn)行測試，3個混合電容不同輸出電流時的紋波電壓如圖4所示。從圖4中可以看出，采用3個混合電容后，紋波電壓顯著下降，此時混合電容明顯優(yōu)于鋁電解電容。

圖5為不同電容不同輸出電流時的紋波電壓。從圖5中可以看出，當(dāng)小于9A時，混合電容的紋波電壓小于鋁電解電容，當(dāng)大于9A時，混合電容的紋波電壓明顯高于鋁電解電容。主要原因是：因為當(dāng)小于9A時，混合電容的容值夠用，而當(dāng)輸出電流大于9A時，混合電容的容量太小導(dǎo)致紋波電壓增大。采用3個混合電容后，混合電容的紋波電壓均小于電解電容的紋波電壓，在輸出電流大于15A時，紋波電壓下降顯著，下降了28.7%左右。

4? 鋁電解電容和混合電容溫升對比

圖6為不同電容在20A輸出電流時的溫升對比圖。從圖6中可以看出，在EPS持續(xù)運(yùn)行1h時，鋁電解電容表面的溫度達(dá)到了87℃左右，而混合電容僅僅只運(yùn)行了30min就達(dá)到了87℃左右。主要原因是：因為容值太小，在輸出電流為20A時紋波電壓太大導(dǎo)致溫升過快，采用3個混合電容后，運(yùn)行了40min后溫度趨于平穩(wěn)，維持在62℃左右。若只考慮溫升的影響，通過公式估算電容的壽命，鋁電解電容壽命約為83572h，而混合電容的壽命約為315172h，混合電容的壽命是鋁電解電容的3.7倍。

5? 結(jié)論

本文主要對鋁電解電容和混合電容紋波及溫升特性進(jìn)行了對比測試，研究結(jié)果如下。

1）當(dāng)電解電容容值過小時會導(dǎo)致紋波過大，從而導(dǎo)致溫升過快影響使用壽命，因此在電解電容選型時，一定要選取合適的容值以滿足需求。

2）混合電容具有比鋁電解電容更小的紋波電壓，且紋波上的過沖明顯更小。

3）當(dāng)輸出電壓為20A時，混合電容的溫升在62℃左右，鋁電解電容的溫升在87℃左右，混合電容的壽命是鋁電解電容的3.7倍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李俊，王宏，童超. 大容量鋁電解電容器可靠性設(shè)計方法及其應(yīng)用研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（5）：68-73.

[2] 段孝星. 開關(guān)電源中鋁電解電容可靠性的評估技術(shù)研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2020.

[3] 陳天殷. 汽車鋁電解電容器的應(yīng)用與維護(hù)[J]. 汽車電器，2015（12）：42-44.

[4] 李小風(fēng). Buck變換器電容參數(shù)監(jiān)測及壽命預(yù)測研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017.

[5] 王正，于新平. 逆變電源母線電容紋波電流與容值優(yōu)化研究[J]. 電源學(xué)報，2012（4）：86-89，106.

[6] Shrivastava A，Azarian M H，Pecht M. Failure of Polymer Aluminum Electrolytic Capacitors Under Elevated Temperature Humidity Environments[J]. IEEE Transactions on Components Packaging & Manufacturing Technology，2017，7（5）：745-750.

[7] 倪峰，李飛，王倩. 高效率長壽命的混合型直流母線電容研究[J]. 電氣傳動，2020，50（11）：83-88.

[8] 田號，徐迪飛. 鋁電解電容失效分析[C]//2020年中國家用電器技術(shù)大會論文集，2020：1916-1921.

[9] 趙鵬. 鋁電解電容的老化機(jī)理及壽命預(yù)測研究[J]. 中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2019（6）：125-126，128.

[10] 俞珊，徐志望，董紀(jì)清. 開關(guān)電源中電解電容壽命預(yù)測分析[J]. 電源學(xué)報，2016，14（6）：87-92，121.

[11] 范凌云，喬志偉，唐雪瑾. 常用電容器壽命研究[J]. 日用電器，2021（7）：34-38，48.

[12] 王鵬. 交流電源中鋁電解電容性能退化評估與在線監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2021.

[13] 周前，湯華龍，楊存哲，等. 電源模塊工作壽命提高方法的研究[J]. 上海電氣技術(shù)，2014，7（3）：14-17.

[14] 黃南，邵強(qiáng)，王世平. 電解電容器選型及散熱研究[J]. 機(jī)車電傳動，2017（2）：76-79.

[15] 李健瑞，陳權(quán)，胡存剛，等. 三電平逆變器電解電容損耗與可靠性研究[J]. 電力電子技術(shù)，2019，53（1）：107-109.

（編輯? 凌? 波）