技术背景：

在电力电子线路中，电解电容器经常受到大脉动电流、高频大滤波电流和短时大电流脉冲的作用，因此对流过其内部的电流要有严格的限制，这样才能保证电路的可靠性。其中一个很重要的指标就是电解电容器纹波电流的额定值。由大量的实验及实践的经验得知，一般纹波电流对电解电容器最主要的影响就是使其发热，因为电解电容器的等效串联电阻（ESR）相对比较大，一般为数十毫欧姆到十几欧姆，这样纹波电流流过ESR就会有明显的功率损耗，使电容器发热。而且流过电容器的纹波电流越大，在电容器ESR上产生的损耗也会随之增大，由功率损耗产生的热会明显降低电解电容器的使用寿命。如果电解电容器工作在超出其纹波电流额定值的条件下，就会使电容器因核心过热而导致失效或损坏。

铝电解电容热降额寿命曲线

计算分析：

一、等效电路

铝电解电容可等效为：等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)、纯电容(C)和等效并联漏电电阻(R_leak)，其中等效并联漏电电阻取决于电介质特性。

二、参数特性

l  ESR矩阵

由于等效串联电阻(ESR)的存在，电流流过电容时，会产生一定的功率损耗(推荐使用计算方法二)：

功耗计算方法一：

功耗计算方法二：

ESR值会随着电容“热点温度(电容绕组内部的最高温度)”的升高及电流频率的增加而减少，即ESR是温度和频率的函数。通常，技术规格书中给出的ESR值为20℃、100Hz条件下的测量值。基于归1化原理，利用ESR矩阵表可获得其他不同温度和频率时电容的ESR值。

等效串联电阻因子K为频率和绕组热点温度的函数。

PEH200UV4680MB2等效串联电阻因子K系数表

l  冷态条件ESR测量

阻抗分析仪

利用阻抗分析仪可以直接测量电解电容的等效ESR。我们关心的问题在于实际电解电容在工作条件下(热态工作条件下)与测量条件(通常在冷态环境下测量)之间的误差相对值。同时，我们也关心ESR测量的频率范围值。

问题一：频率测量范围

从趋势中可以发现，同一温度条件下，随着频率增大，ESR的修正值K均呈现下降趋势，即ESR随频率升高而降低。另外，纹波的高频分量随着阶次的增大而迅速下降，研究表明，在KHz级计算得到的总损耗与实际损耗误差较小。因此，对于频率测量范围的选择，可以考虑在KHz范围内。

问题二：冷、热态区别

     通常给定测量环境温度要远高于20℃，但由ESR产生的热点温升通常不超过10℃，因此，ESR的温升测量值可以选择在[40℃，105℃]下进行对比考察。从如下的数据可以对比发现，铝电解电容的ESR值在同一频率下，数值波动较小。因此，由实际热态ESR值相比冷态下引起的计算误差可忽略。

l  热阻矩阵

电容热阻值是铝壳温度T_C和风速V的函数。铝电解电容的热阻值取决于环境温度，铝壳温度，散热片的热阻值（如果有散热片），和电容周围强迫风冷风速。（如果没有强迫风冷，可假设空气流速为0.5m/s）。

PEH200UV4680MB2热阻矩阵系数表

说明：

1.      Rth: 电容绕阻热点与周围环境之间的热阻。

2.      Rthca: 铝壳与周围环境之间的热阻。

l  热阻测量

测量方法一：基于DynTim的热阻测量

Mentor DynTim热阻测量

  DynTim提供了用于Ⅰ&Ⅱ&Ⅲ导热材料的热阻测量方法。通过测量多层内部周期性结构，可以直接获得单层等效热阻，并通过实际电容尺寸换算获得最终的等效热阻值。由于DynTim提供了较高的温度测量范围，因此，可获得精确的测量结果。利用DynTim的测量方法，可对电解电容在热阻优化方面提供数据参考。

测量方法二：基于直接接触法(热电偶)测量

热电偶直接热阻测量

可通过在电解电容绕制过程中，在芯内布置热电偶，并最终通过电容通电加热的方法进行调节测量。该方法直接有效，存在的问题在于加热方式的控制调节需要进行独立的测试设计以及电容器厂的配合。

三、RIFA电解电容精确寿命预计

传统的电解电容寿命预计方法均存在计算原理上的不精确性，只是近似方法，误差可达到30%以上。RIFA提供了基于热阻测量的铝电解电容精确寿命预计方法。

      备注：A、C值由电容厂家提供或自行测量获得。

      自行测量寿命依据：

当发生如下数据结果时，可判定电解电容寿命处于终结状态：

四、电容参数选型

控制某一纹波电压所需的电容容值为：

P：负载功率(w)；

注意：这是应用所需要的最小电容容值，此外，电容容值有误差，在工作寿命器件，容值也会处于下降趋势，随着温度降低，容值也会下降。

五、计算实例

对象：RIFA PEH200OO427AMB2

输入：环境温度=70℃； 纹波电流=30A（10KHz）；

      工作电压 350V   ESR(@85℃、10KHz)=4.6mΩ；

      热阻Rth=4.3℃/W；

计算：功率损耗P_loss=I_RMS²*ESR=30²*4.6e-3=4.1W；

      热点温度T_h=T_a+ R_th*P_loss=70+4.3*4.1=88℃；

输出：预计工作寿命

      Lop=30000*2^{（85-88）/12}=25K(h)；