固液混合电容和铝电解电容性能对比研究

许斌 雷帅 彭振东 侯胜利 吕欣悦 马嘉

【摘  要】本文以商用车EPS为背景，对混合电容和铝电解电容纹波特性和温升特性进行对比研究，结果表明：混合电容具有更小的纹波，且温升明显低于铝电解电容。此研究可为相关产品设计中电解电容的选型提供一定的参考价值。

【关键词】固液混合电容;铝电解电容;纹波;温升;商用车EPS;寿命

中图分类号：U463.63    文献标志码：A    文章编号：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

作者简介

许斌（1983—），男，硕士，高级工程师;雷帅（1996—），男，硕士。

铝电解电容具有容量大、耐压高等优点，是商用车EPS设计过程中不可或缺的元器件之一，也是电源模块中必不可少的元器件。电解电容是一种故障率高且寿命短的元器件，电子产品中60%的失效均是由电解电容失效引起的[1-2]。电解电容的选型关系到整个产品的可靠性及使用寿命，尤其是在EPS领域，产品的可靠性关系到驾驶员的人身安全[3]。目前大部分的EPS产品采用的是铝电解电容，由于铝电解电容的ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻）高，而电容的ESR和容值成反比，相同额定电压下，容量越大，ESR越小[4-5]。为了减小ESR，选型时铝电解电容值都比较大，这也增大了产品的体积和质量。混合电容是基于固态电容技术发展出来的，它既使用了固态导电高分子，也使用了液态电容中的电解液，其通过电解液的修复氧化膜作用，提高了电容的耐压效果，又保持了固态电容低ESR的优点，因此在选型时混合电容的容值较小，能够显著减小产品的体积和质量[6-7]。本文主要对混合电容和铝电解电容的纹波特性、温升特性进行对比测试，为相关EPS产品设计及开关电源中电解电容的选型提供一定的参考。

1  影响电容寿命的要因

电解电容的安全工作区域由额定纹波电流与最高允许使用温度构成，电容老化失效机理指出环境温度和纹波电流是影响电容使用寿命的主要因素[8-10]。影响电容寿命的原因一方面是环境温度的影响，温度每上升10℃，电解电容的使用寿命将缩减一半，另一方面是由于纹波的影响，纹波流过电解电容，其内部的等效串联内阻导致电容自身发热，电解电容寿命预测见公式（1）[11-12]：

式中：T——实际工作温度;T0——最高允许工作温度;L——实际工作温度下的寿命;L0——最高允许工作温度下的寿命;ΔT——电解电容内部中心温升;K——纹波系数。

通常电解电容内部中心的温升不能直接测得，需根据表1的换算关系求得。

2  电解电容选型

电解电容选型时主要的参数有容量、耐压值、纹波电流以及寿命等[14]。为了对比铝电解电容及混合电容的性能，选取了市面上各方面性能比较好的铝电解电容和混合电容各1款，相关参数见表2。

本文以商用车EPS项目为背景，其电源输入部分的原理如图1所示，有2个电解电容C5和C6，其中BUS是给EPS的三相桥式驱动电路供电[15]，然后分别对比测试了这2种电容在三相电流分别为5A、10A、15A、20A时的纹波电压以及电流为20A时电解电容的温升情况。

3  铝电解电容和混合电容纹波对比

对比了铝电解电容和混合电容这2种电容在三相电流分别为5A、10A、15A、20A时的纹波。铝电解电容不同输出电流时的纹波电压如图2所示，混合电容不同输出电流时的纹波电压如图3所示。

从图中可以看出，相比于铝电解电容，混合电容的过冲更小，但是纹波比混合电容大，主要原因可能是由于铝电解电容的容值为2200μF，而混合电容的容值为270μF，采用的2个混合电容容值太小，导致纹波电压偏大。因此增加1个混合电容C7进行测试，3个混合电容不同输出电流时的纹波电压如图4所示。从图4中可以看出，采用3个混合電容后，纹波电压显著下降，此时混合电容明显优于铝电解电容。

图5为不同电容不同输出电流时的纹波电压。从图5中可以看出，当小于9A时，混合电容的纹波电压小于铝电解电容，当大于9A时，混合电容的纹波电压明显高于铝电解电容。主要原因是：因为当小于9A时，混合电容的容值够用，而当输出电流大于9A时，混合电容的容量太小导致纹波电压增大。采用3个混合电容后，混合电容的纹波电压均小于电解电容的纹波电压，在输出电流大于15A时，纹波电压下降显著，下降了28.7%左右。

4  铝电解电容和混合电容温升对比

图6为不同电容在20A输出电流时的温升对比图。从图6中可以看出，在EPS持续运行1h时，铝电解电容表面的温度达到了87℃左右，而混合电容仅仅只运行了30min就达到了87℃左右。主要原因是：因为容值太小，在输出电流为20A时纹波电压太大导致温升过快，采用3个混合电容后，运行了40min后温度趋于平稳，维持在62℃左右。若只考虑温升的影响，通过公式估算电容的寿命，铝电解电容寿命约为83572h，而混合电容的寿命约为315172h，混合电容的寿命是铝电解电容的3.7倍。

5  结论

本文主要对铝电解电容和混合电容纹波及温升特性进行了对比测试，研究结果如下。

1）当电解电容容值过小时会导致纹波过大，从而导致温升过快影响使用寿命，因此在电解电容选型时，一定要选取合适的容值以满足需求。

2）混合电容具有比铝电解电容更小的纹波电压，且纹波上的过冲明显更小。

3）当输出电压为20A时，混合电容的温升在62℃左右，铝电解电容的温升在87℃左右，混合电容的寿命是铝电解电容的3.7倍。

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（编辑  凌  波）