电容串联电压不均衡导致电容失效介绍

一、摘要

电解的并联使用大家很熟悉，但是电解电容的串联使用，如果没有考虑电容均压，将会导致寿命变短。

二、问题描述

本案例是一个直流30V供电的产品，由于现场有很多接触器，接触器工作瞬间会产生很高的脉冲电压，因此，在设计之初，由于板卡高度原因，不能直接使用50V的电容，因此使用了2个35V的电容进行串联使用，理论上可以承受70V的耐压。产品运行了半年左右，大约有10%的产品的C1、C2电容鼓包，甚至爆浆失效。

图1；电容串联导致鼓包

三、原因分析

我们先怀疑由于电容串联导致两个电容的电压不均衡，经过使用万用表实测，果然是电压不均衡，产品施加50V时，C1电压接近30v，C2为20V左右。怀疑是产品工作时间长了导致电容的失效，用新的设备测试，C1和C2 的电压均不均衡，两者之间的误差小的有2V，大的有5V以上。因此基本可以判定问题为串联电容的电压不均衡。

我们先复盘一下电容串联的知识。

1. 理想电容的串联计算方法.

电容的串联推导过程如下：

图2；理想电容串联的计算过程

由此可见，电容串联，最简便的方法就是两个电容的规格完全一致，这样才能保证两者承受的电压一样。

2. 实际电容的漏电流的影响

第一步推导电容串联只考虑了理想电容的模型，实际的铝电解电容的实际模型如下图，电容内部的电流路径可由铝箔阻抗RA、RC、电解液阻抗R、以及等效二极管D，内部可以等效为一个电阻Rdc，电容两端施加电压时，就会有电流流过电容。

图3；实际电容等效电路

考虑电容内部的漏电流影响后，可以等效为以下的电路，可见，由于C1、C2的内部等效电阻Rdc不可能做到完全一致，在电容达到稳态以后，C1、C2的电容电压就会不一致。

图4；实际电容等效电路

3. 漏电流的计算

既然要将内部电容的电阻等效为一个电阻，就需要对漏电流进行一个估算。一般采用的计算公式为：漏电流I≦KCU或3µA（取数值大者），

其中：

K：为系数，取值在0.01～0.03之间，不同的厂家的系数不一样，如果不确定，可以按照大的取值。

C：为标称电容量（单位µF）；

U：为额定电压（单位V），

漏电流I的单位为µA。

值得注意的是，漏电流不是一个恒定的值，给出的是在温度20摄氏度，额定电压下的值，实际应用时与时间、问题、电压都有关联，下图就说明漏电流与这三者之间的关系。给出了这三者的降额关系，可供参考。

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图5；漏电流估算方法

举例子：额定规格为220uF/35V/105℃的电解电容，用于DC30V、温度70℃条件下，漏电流的估算I=Kc*Kv*KCU=6*50%*0.03*220uF*30V=594uA。

四、解决方案

经过上述分析可知，主要是忽略了漏电流的影响。因此需要先估算出电容的漏电流，产品应用场景约40摄氏度，因此额定220uF/25v/105℃的电容，估算的漏电流为：

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

按照经验值，并联的电阻的电流大约5倍电容漏电流=5*595=2475uA。

产品最高可能为25V，因此等效的并联电阻值R=U/I=25V/2475uA≈10.1K。

1、没有增加并联电阻R1、R2情况：

没有增加外部电阻R1、R2时，假设C1、C2的漏电流误差一个为+10%，另一个为-10%，则Rdc1=55K，Rdc2=45K，根据电阻分压可算出，VC1=22.5V，VC2=27.5V，可见两者的电容严重不均衡，VC2的电压明显偏高。

2、增加并联电阻R1、R2情况：

增加外部电阻10K的电阻R1、R2，可以算出分压电阻上臂为8.46K，下臂为8.18K，根据分压可以算出，同样是C1、C2误差±10%，最终VC1=25.4V，VC2=24.5V。两个电容的分压很接近均衡。

图6；增加外部电阻R1、R2使得电容电压均衡

五、总结

只要涉及到漏电流较大的电容，串联使用时都应该考虑其漏电流的影响，这些电容包括电解电容、超级电容等，本案例的漏电流仅提供参考，具体要看漏电流的估算方法。

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