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史上最全的电容应用与选型讲解

发布时间:2019-06-20 | 发布者: 东东工作室 | 浏览次数:

电容,和电感、电阻一起,是电子学三大基本无源器件;电容的功能就是以电场能的形式储存电能量。

以平行板电容器为例,简单介绍下电容的基本原理

史上最全的电容应用与选型讲解

Q

电容储存的电荷量Q与电压U和自身属性(也就是电容值C)有关,也就是Q=U*C。根据理论推导,平行板电容器的电容公式如下:

史上最全的电容应用与选型讲解

通交流

电压可以在电容内部形成一个电场,而交流电压就会产生交变电场。根据麦克斯韦方程组中的全电流定律:

即电流或变化的电场都可以产生磁场,麦克斯韦将ε(∂E/∂t)定义为位移电流,是一个等效电流,代表着电场的变化。(这里电流代表电流密度,即J)

设交流电压为正弦变化,即:

实际位移电流等于电流密度乘以面积:

1/ωC,频率很高时,电容容抗会很小,也就是通高频。

下图是利用ANSYS HFSS仿真的平行板电容器内部的电磁场的变化。

横截面电场变化(GIF动图,貌似要点击查看)

史上最全的电容应用与选型讲解

纵断面磁场变化(GIF动图,貌似要点击查看)

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隔直流

直流电压不随时间变化,位移电流ε(∂E/∂t)为0,直流分量无法通过。

实际电容等效模型

实际电容的特性都是非理想的,有一些寄生效应;因此,需要用一个较为复杂的模型来表示实际电容,常用的等效模型如下:

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由于介质都不是绝对绝缘的,都存在着一定的导电能力;因此,任何电容都存在着漏电流,以等效电阻Rleak表示;

电容器的导线、电极具有一定的电阻率,电介质存在一定的介电损耗;这些损耗统一以等效串联电阻ESR表示;

电容器的导线存在着一定的电感,在高频时影响较大,以等效串联电感ESL表示;

另外,任何介质都存在着一定电滞现象,就是电容在快速放电后,突然断开电压,电容会恢复部分电荷量,以一个串联RC电路表示。

大多数时候,主要关注电容的ESR和ESL。

品质因数(Quality Factor)

和电感一样,可以定义电容的品质因数,也就是Q值,也就是电容的储存功率与损耗功率的比:

Qc=(1/ωC)/ESR

Q值对高频电容是比较重要的参数。

自谐振频率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在,与C一起构成了一个谐振电路,其谐振频率便是电容的自谐振频率。在自谐振频率前,电容的阻抗随着频率增加而变小;在自谐振频率后,电容的阻抗随着频率增加而变小,就呈现感性;如下图所示:

史上最全的电容应用与选型讲解

图出自Taiyo Yuden的EMK042BJ332MC-W规格书 二、电容的工艺与结构

根据电容公式,电容量的大小除了与电容的尺寸有关,与电介质的介电常数(Permittivity)有关。电介质的性能影响着电容的性能,不同的介质适用于不同的制造工艺。

常用介质的性能对比,可以参考AVX的一篇技术文档。

AVX Dielectric Comparison Chart

电容的制造工艺主要可以分为三大类:

薄膜电容(Film Capacitor)

电解电容(Electrolytic Capacitor)

陶瓷电容(Ceramic Capacitor)

2.1 薄膜电容(Film Capacitor)

Film Capacitor在国内通常翻译为薄膜电容,但和Thin Film工艺是不一样的。为了区分,个人认为直接翻译为膜电容好点。

薄膜电容是通过将两片带有金属电极的塑料膜卷绕成一个圆柱形,最后封装成型;由于其介质通常是塑料材料,也称为塑料薄膜电容;其内部结构大致如下图所示:

史上最全的电容应用与选型讲解

原图来自于维基百科

薄膜电容根据其电极的制作工艺,可以分为两类:

金属箔薄膜电容(Film/Foil)

金属箔薄膜电容,直接在塑料膜上加一层薄金属箔,通常是铝箔,作为电极;这种工艺较为简单,电极方便引出,可以应用于大电流场合。

金属化薄膜电容(Metallized Film)

金属化薄膜电容,通过真空沉积(Vacuum Deposited)工艺直接在塑料膜的表面形成一个很薄的金属表面,作为电极;由于电极厚度很薄,可以绕制成更大容量的电容;但由于电极厚度薄,只适用于小电流场合。

金属化薄膜电容就是具有自我修复的功能,即假如电容内部有击穿损坏点,会在损坏处产生雪崩效应,气化金属在损坏处将形成一个气化集合面,短路消失,损坏点被修复;因此,金属化薄膜电容可靠性非常高,不存在短路失效;

薄膜电容有两种卷绕方法:有感绕法在卷绕前,引线就已经和内部电极连在一起;无感绕法在绕制后,会采用镀金等工艺,将两个端面的内部电极连成一个面,这样可以获得较小的ESL,应该高频性能较高;此外,还有一种叠层型的无感电容,结构与MLCC类似,性能较好,便于做成SMD封装。

史上最全的电容应用与选型讲解

原图出自global.tdk.com/techmag/electronics_primer/vol4.htm

最早的薄膜电容的介质材料是用纸浸注在油或石蜡中,英国人D'斐茨杰拉德于1876年发明的;工作电压很高。现在多用塑料材料,也就是高分子聚合物,根据其介质材料的不同,主要有以下几种:

史上最全的电容应用与选型讲解

应用最多的薄膜电容是聚酯薄膜电容,比较便宜,由于其介电常数较高,尺寸可以做的较小;其次就是聚丙烯薄膜电容。其他材料还有聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。

薄膜电容的特点就是可以做到大容量,高耐压;但由于工艺原因,其尺寸很难做小,通常应用于强电电路,例如电力电子行业;基本上是长这个样子:

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截图于High Power Capacitors For Power Electronics - AVX

引申阅读:

Film capacitor

Capacitors, Part 4 "Film Capacitors [1]"

AVX PRODUCT GUIDE FOR MEDIUM & HIGH POWER FILM CAPACITORS

2.2 电解电容(Electrolytic Capacitor)

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