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2021年02月01日 | 如何使用低电感电解电容器缩小尺寸并提高性能
2021-02-01 来源：EEWORLD
针对低内部电感进行了优化的电解电容器可以帮助降低工业电源转换应用的成本，同时提高效率，性能和可靠性。
随着在工业4.0和工业物联网（IIoT）等新兴趋势的推动下，制造和装配过程的自动化继续变得越来越普遍，低电感电解电容器可以帮助在机器人和其他工业领域实现成本节省和性能提升设备。
聚丙烯薄膜电容器和电解电容器都适合于大功率工业应用中的去耦工作，例如在开关电源的输出处，以及用于稳定变频电动机驱动器和固定频率发电机的DC链路。相对于其他电容器技术，电解电容器可在较小的外壳尺寸内以低成本提供高电容，在600 V应用中通常是首选。
每个实际电容器都有一个相关联的电感，当高频纹波电流流经该器件时，该电感会引起电压尖峰。设计为具有低寄生电感的电容器可以减小这些电压峰值的幅度，从而允许设计人员指定较低电压等级的功率半导体。同样，指定低电感器件可以减少所需的电容器数量，从而有助于降低总体成本并减小尺寸和重量。
电容器的寄生电感
理想电容器可以将所有存储的能量立即转移到负载中，而理想电容器与实际电容器不同，实际电容器有寄生效应，可以将其建模为等效电感和与电容串联的电阻（ESL和ESR）。这种有害电感的影响包括感应电压尖峰，该尖峰会损坏连接到电路的敏感组件。此外，杂散电感和设备电容之间的相互作用会产生噪声，从而可能损害电路的稳定性和电能质量。
通常，电感趋向于阻止电流的变化。影响的大小取决于频率。电容电抗随频率降低，而电感电抗增加。这两个电抗在电容器的自谐振频率处相等且相反，从而产生抵消效果，从而使总电抗为零，并且电容器的阻抗仅由ESR引起：
该组件在此自谐振频率以下充当电容器，并且阻抗会随着频率的增加而降低。随着频率增加，阻抗特性开始偏离并在自谐振频率处达到最小值。在此频率以上，感应行为起主导作用，阻抗增加。降低电容器的ESL会提高自谐振频率。
对低电感电容器的需求
可以从低电感电解电容器中受益的应用包括大容量电容，该电容通常会受到高频开关的影响。此外，低ESL电容器对于直流链路应用（例如工业逆变器驱动器）而言是理想的，以最大程度地减少自发热，同时增强对功率器件的保护。标准电解直流链路电容器的ESL可以与其他连接，电缆和其他组件一起产生电压尖峰，这些电压尖峰需要在每个逆变器相臂上放置一个缓冲器。降低电容器的ESL可以将整体电感降低到消除每个逆变器相脚上的缓冲电路需求的程度。
内部电容器设计
大型螺旋式端子电解电容器的ESL主要内部组件是甲板端子，内部连接接线片和绕组，如图1所示。可以通过优化内部布局以减少ESL。减少电容器电流产生的磁场，这是通过减小缠绕元件与端子之间的距离并减小凸片之间的距离来实现的。图1将标准电容器的内部布局与低电感模型进行了比较，显示了重新设计的功能如何将电感降低多达40％。
图1.高压铝电解螺丝端子中影响电容器电感的因素以及将ESL降低高达40％的影响
优化的终端设计
如图2所示，减小端子之间的间距会引入电感消除效应。而且，端子的高度减小以缩短总导体长度。端子底部的较大表面积允许内部连接接线片的间距更小，从而最大程度地发挥消除作用。该设计还利用了多个选项卡，它们都并联连接。
图2.降低高度，缩小端子和关联的间距引用了对端盖设计的更改。
低电感电容工作
降低整个电路的电感（电解电容是其中的一个因素）可以降低电源线上的电压尖峰幅度（图3）。由陡边脉冲引起的峰值被最大程度地降低。降低电源线上的峰值电压具有几个优点，包括允许设计人员指定较低额定电压的功率半导体，从而节省成本并提高功率密度。此外，可以使用更少的电容器来构建电容器组，以实现相同的性能，从而降低成本，重量和变频器的空间要求。
图3.电压瞬变示例。可以通过更好的电容器选择（使用具有更好ESL特性的组件）来缓解这种情况
结论
降低功率电容器的ESL可以削减工业自动化，机器人技术，电源管理和智能工厂设备中的材料清单。降低ESL会提高电容器的自谐振频率，从而允许在更高开关频率的电路中使用，并降低了峰值电压尖峰，从而允许使用额定功率较低的功率半导体。通过降低噪声，较低的ESL有助于改善开关电源的输出端的电源质量。
低ESL电解电容器体现了设计创新，以减少互连的长度并利用电感消除的优势。在较高电压下，ESL降低的百分比最大，测得该电容器的ESL改善了40％。
史海拾趣
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