電容串聯電壓不均衡導致電容失效介紹

一、摘要

電解的并聯使用大家很熟悉，但是電解電容的串聯使用，如果沒有考慮電容均壓，將會導致壽命變短。

二、問題描述

本案例是一個直流30V供電的產品，由于現場有很多接觸器，接觸器工作瞬間會產生很高的脈沖電壓，因此，在設計之初，由于板卡高度原因，不能直接使用50V的電容，因此使用了2個35V的電容進行串聯使用，理論上可以承受70V的耐壓。產品運行了半年左右，大約有10%的產品的C1、C2電容鼓包，甚至爆漿失效。

圖1；電容串聯導致鼓包

三、原因分析

我們先懷疑由于電容串聯導致兩個電容的電壓不均衡，經過使用萬用表實測，果然是電壓不均衡，產品施加50V時，C1電壓接近30v，C2為20V左右。懷疑是產品工作時間長了導致電容的失效，用新的設備測試，C1和C2 的電壓均不均衡，兩者之間的誤差小的有2V，大的有5V以上。因此基本可以判定問題為串聯電容的電壓不均衡。

我們先復盤一下電容串聯的知識。

1. 理想電容的串聯計算方法.

電容的串聯推導過程如下：

圖2；理想電容串聯的計算過程

由此可見，電容串聯，最簡便的方法就是兩個電容的規格完全一致，這樣才能保證兩者承受的電壓一樣。

2. 實際電容的漏電流的影響

第一步推導電容串聯只考慮了理想電容的模型，實際的鋁電解電容的實際模型如下圖，電容內部的電流路徑可由鋁箔阻抗RA、RC、電解液阻抗R、以及等效二極管D，內部可以等效為一個電阻Rdc，電容兩端施加電壓時，就會有電流流過電容。

圖3；實際電容等效電路

考慮電容內部的漏電流影響后，可以等效為以下的電路，可見，由于C1、C2的內部等效電阻Rdc不可能做到完全一致，在電容達到穩態以后，C1、C2的電容電壓就會不一致。

圖4；實際電容等效電路

3. 漏電流的計算

既然要將內部電容的電阻等效為一個電阻，就需要對漏電流進行一個估算。一般采用的計算公式為：漏電流I≦KCU或3µA（取數值大者），

其中：

K：為系數，取值在0.01～0.03之間，不同的廠家的系數不一樣，如果不確定，可以按照大的取值。

C：為標稱電容量（單位µF）；

U：為額定電壓（單位V），

漏電流I的單位為µA。

值得注意的是，漏電流不是一個恒定的值，給出的是在溫度20攝氏度，額定電壓下的值，實際應用時與時間、問題、電壓都有關聯，下圖就說明漏電流與這三者之間的關系。給出了這三者的降額關系，可供參考。

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圖5；漏電流估算方法

舉例子：額定規格為220uF/35V/105℃的電解電容，用于DC30V、溫度70℃條件下，漏電流的估算I=Kc*Kv*KCU=6*50%*0.03*220uF*30V=594uA。

四、解決方案

經過上述分析可知，主要是忽略了漏電流的影響。因此需要先估算出電容的漏電流，產品應用場景約40攝氏度，因此額定220uF/25v/105℃的電容，估算的漏電流為：

I=Kc*Kv*KCU=3*100%*0.03*220uF*25V=495uA，等效的電阻=U/I=50K

按照經驗值，并聯的電阻的電流大約5倍電容漏電流=5*595=2475uA。

產品最高可能為25V，因此等效的并聯電阻值R=U/I=25V/2475uA≈10.1K。

1、沒有增加并聯電阻R1、R2情況：

沒有增加外部電阻R1、R2時，假設C1、C2的漏電流誤差一個為+10%，另一個為-10%，則Rdc1=55K，Rdc2=45K，根據電阻分壓可算出，VC1=22.5V，VC2=27.5V，可見兩者的電容嚴重不均衡，VC2的電壓明顯偏高。

2、增加并聯電阻R1、R2情況：

增加外部電阻10K的電阻R1、R2，可以算出分壓電阻上臂為8.46K，下臂為8.18K，根據分壓可以算出，同樣是C1、C2誤差±10%，最終VC1=25.4V，VC2=24.5V。兩個電容的分壓很接近均衡。

圖6；增加外部電阻R1、R2使得電容電壓均衡

五、總結

只要涉及到漏電流較大的電容，串聯使用時都應該考慮其漏電流的影響，這些電容包括電解電容、超級電容等，本案例的漏電流僅提供參考，具體要看漏電流的估算方法。

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