在地球上高維度地區，低溫可以從-5度到-50度。當這些地方的交通工具停擺，將對生活造成巨大衝擊，同時影響生活。筆者近期剛好有機會將常見的電解電容放到-40度的溫箱中量測電解電容在低溫下的特性，這篇文章就讓我們來看看設計電子電路在低溫情況下要注意的事項。{alertInfo}
目錄
電解電容構造簡介
常見應用在電力電子領域的電容器有電解電容、陶瓷電容、積層電容、鉭質電容、固態電容與半固態電容等等，依據不同用途、特性以及容值、封裝等等選用合適的材質。針對電力電子的應用，常見用來輸出的濾波電容多以電解電容為主。
電解電容的構造是將薄薄的紙先浸泡在電解液中，並夾在正極與負極的鋁片之間。接著把正負極與紙剪成長條狀並捲起來，套到鋁質外殼上就成為我們熟悉的電容器的形狀。製造商可以調整電解液的配方，或者改變正負極的總長度來改變電容器容值大小。容值越大的電容最後的圓柱體也會越胖。
結構圖可以參考下圖:
圖片來源：https://www.chemi-con.co.jp/cn/faq/detail.php?id=alStructure
大部分的電解電容工作溫度介在-30度到105度之間，大於105度電容器會因為過熱導致電解液沸騰，最後爆炸。反之，溫度太低電解液會結凍，導致介電係數與內阻升高，電容器無法工作。針對寬溫(-55~125C)的環境，也可以選用特規的電解電容，但實務上會建議選用半固態電容或者固態電容來避免低溫下溶質衰減以及ESR(串連等效電阻)上升帶來的缺點。
電解電容的低溫缺點
以TDK發行的鋁電解電容技術文件為例子，說明電解電容在低溫下的特性。首先電解電容在-40度低溫時容值會衰減到室溫的40%左右，而高溫105度時則是微幅上升到原本的105%左右。
下圖是不同溫度與頻率對電容器阻抗的關係圖。可以發現到高溫時電容阻抗降低，低溫時電容阻抗則是顯著的增高，在-40度下與常溫相比則會有數十倍的提升，這個影響對於輸出漣波來說是非常巨大的。
常見的切換式電源切換頻率大約落在50k-200k左右，當電容器ESR上升後，假設流過電容器的電流維持不變，但在電容本身產生的壓升會因阻抗上升而上升，導致在輸出端看到的電壓漣波上升。
過大的漣波可能讓控制器的保護功能誤動作。
假設有一個轉換器輸出電壓48V，過電壓保護點設計在56V。當轉換器放置在-40度環境時，假設電容器ESR上升30倍。此時原先的漣波電壓會由120mVpp上升到3.6Vpp，這時輸出電壓光是電容ESR的影響便可能使輸出電壓上升到51.6V。再加上電路其他部位在低溫時導致的特性下降，實際量測的輸出電壓漣波最大值(Vpp-max)可能大於56V。
即使輸出平均電壓依舊被控制器維持在48V，但過高的漣波會觸發到電路的過電壓保護(OVP)，以至於電路無法在低溫下啟動。
電解電容低溫特性量測
為了驗證實際電容器在低溫下的特性，筆者將330uF/63V的電解電容放置到-40度溫箱中，使用LCR電表量測電容器在120Hz下的特性。為了確保溫度浸潤到電容器的核心中，放置時間>2小時，同時移出室溫時使用泡綿避免人體溫度影響電容溫度。
常溫時，量測電容器的電容量為325uF, ESR為0.14Ohm。
從-40度溫箱取出後，量測電容值衰減到303uF, ESR增加到3.558Ohm。
結論
對電解電容而言，低溫是造成特性衰減的主要原因，由於低溫會造成電解液結凍，因此串連等效電阻會上升數十倍的數量級，且容值也會衰減40%左右。
針對此缺點，各家電容大廠除了盡可能的優化電解液配方，也建議針對低溫場合的應用可使用半固態電容或固態電容，降低電解液的影響。但相對的，固態電容技術尚未有高壓(>100V)電容出現，因此設計者需要依據不同場合選用不同材質的電容器，來讓產品特性最好，同時又不會過度浪費資源。
張貼留言
留個言吧