BOOST型PFC变换器中电解电容的参数监测研究(2)

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4.4 小结 39

结论 41

致谢 42

参考文献 43

1 绪论

1.1 研究背景与意义

在功率因数校正变换器的应用中，由于输出功率是平直恒定的，而输入功率是脉动变化的，因此需要平衡瞬时输入功率和输出功率，而电解电容正是承担这种功率平衡的作用。电解电容具有耐压高、容值大的特点，被广泛的用作PFC变换器的储能电容。但是，电解电容的寿命通常只有几千个小时，严重影响了电源的长寿命要求。并且电解电容体积较大，影响了电源功率密度的进一步提高（须减小储能电容体积以提高电源的功率密度）。

为了平衡输入输出的功率脉动，电解电容会有大幅的能量充放，因此会有较高的有效值电流流过。较高的电流有效值会产生很大的热量，而电解电容本身为了减小电解液的挥发，其结构较为紧密，这样也就增大了等效热阻，对于电解电容的散热不利，因此一般电解电容的工作寿命有限。电解电容是开关变换器中失效率最高的器件。为了能够有效的预测变换器的工作状态，监测电解电容的寿命十分必要。通过监测电解电容的参数，建立模型，预测电解电容的寿命，从而减小因电容失效引起的PFC变换器损坏带来的损失。

电解电容器常要测量的主要参数有电容量、损耗角、漏电流以及他们的温度特性，还有阻抗及其频率特性、等效串联电阻、电感、浪涌电压比和承受纹波电流的能力，以检测产品电性能的优劣程度。

电解电容广泛应用在电力电子的不同领域，主要是用于平滑、储存能量或者交流电压整流后的滤波，另外还用于非精密的时序延时等。在开关电源的MTBF（平均无故障小时）预计时，模型分析结果表明电解电容是影响开关电源寿命的主要因素，因此了解、影响电容寿命的因素非常重要。电解电容的寿命取决于其内部温度。因此，电解电容的设计和应用条件都会影响到电解电容的寿命。从设计角度，电解电容的设计方法、材料、加工工艺决定了电容的寿命和稳定性。而对应用者来讲，使用电压、纹波电流、开关频率、安装形式、散热方式等都影响电解电容的寿命。在功率变换电路中，电解电容器由于成本低、容量大，被广泛应用于滤波、电能存储、变换，但其发生故障的概率很大。目前，国际对电解电容器故障预测的研究是信号监测与信号处理相结合。通过选择适当的检测信号，分析监测信号与电容器特征参数的关系，实现对电容失效与否及寿命状况的分析预测。

1.2 本文主要工作

由于电解电容的高容值密度和大容量等优势，现在很多的开关变换器都使用了电解电容。而根据电解电容的物理结构和特性分析可知，其工作寿命大幅的依赖于它的工作条件。为了能够预测开关变换器的寿命，监测电解电容的工作状况十分必要。本课题针对PFC变换器中的电解电容，对其寿命和工作状况进行监测。通过监测电容的ESR和C值的大小，预测电解电容的寿命，从而达到监测变换器的工作状况的目的。

本设计主要是针对PFC变换器的电解电容的ESR和Ｃ的监测方案进行研究，通过理论分析掌握电解电容ESR和Ｃ的测量方法，通过仿真分析，对电容参数监测的方法进行验证。

2 电解电容器

2.1 电容器的定义

电容（Capacitor）是电路中最常用的元件之一。电容的主要物理特征是可以储存电荷。由于电荷的储存意味着能的储存，因此也可说电容器是一个储能元件，确切的说是储存电能。电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其它的作用。电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。电容也有多种多样，它包括固定电容，可变电容，电解电容，瓷片电容，云母电容，涤纶电容，钽电容等，其中钽电容特别稳定。电容有固定电容和可变电容之分。固定电容在电路中常常用来做为耦合，滤波，积分，微分，与电阻一起构成RC充放电电路，与电感一起构成LC振荡电路等。可变电容由于其容量在一定范围内可以任意改变，所以当它和电感一起构成LC回路时，回路的谐振频率就会随着可变电容器容量的变化而变化。一般接收机电路就是利用这样一个原理来改变接收机的接收频率的。电容的用途非常多，主要有如下几种：