深入理解电容，波纹和自发热

接着，在将可降低电容温度的全部强制冷或散热措施考虑在内的情况下，可对该系统进行热建模;另外要说的是，如果电容旁有其它发热器件，可能会增加其温度。

如果缺这两种散热方法的任一种的足够数据，那么可采用常常是最准确的实证方法。只要使电路工作在最坏条件并借助热电偶或高温计测量器件温升高于环境温度就可实现。

要确认的第一件事是平衡温度不要高于电容的最高工作温度，以及相关的峰值纹波电压(加上施加的任何偏置电压)不超过最高工作电压。对许多电容器技术来说，随着温度升高，ESR会降低，所以ESR对波纹发热的影响会降低。然而，不是在供应商的数据手册中已将其算计在内，就是并不要求(如果器件是在应用中实际测量的)。

图2：贴片钽电容的散热模型。

Lead frame: 引脚框架

Solder: 焊料

tantalum anode: 钽阳极

printed circuit board: 印刷电路板

encapsulant: 密封材料

copper: 铜

如果器件在所有工作参数允许范围内工作，则不会有问题;对于关键应用，电容的实际可靠性总是可以根据它的实际最高温度，而非电路的环境温度重新计算。如果计算或测量到的温升高于建议的工作范围，那么器件虽仍可能能够工作(如果上述条件得到满足)，但仍应与供应商沟通，以确认在这种情况下，是否需考虑其他压力。

在确定哪些因素影响发热后，我们来看看一些实际应用。

对低电压(如1.8V~5.5V电源轨)DC应用来说，高容值的片式多层陶瓷电容(MLCC)和固体钽电解电容是在10kHz到10MHz范围内的直流电源滤波电容的首选。这些技术能够以小尺寸在低电压等级提供数百微法(uF)的电容值。X5R片式多层陶瓷电容器的温度特性支持其实现特别高的电容值，其典型ESR在1~10 mΩ范围，但具有85℃的温度上限。虽然X5R器件的电容值针对低电压等级进行了最大化处理，这些电容的一个特征是：其电容值随施加电压(电压系数)减小，同时，其电容值还随工作温度的升高而减小(温度系数)。

然而，其ESR仍保持低值，所以波纹电流能力将不会受到影响。在更青睐低体电容损耗的应用中，可使用X7R温度特性。对于给定的尺寸和额定电压，X7R的标称电容值比X5R MLCC的低，但电压系数的影响会降低(且如果采用电压降额用法，还可进一步降低)，而当工作温度扩展到125℃范围时，温度系数也将更严苛。

固体钽电解电容是极性器件，需要在纹波应用施加直流偏置，它能提供100μf~1mF范围的极高电容值;而其典型的ESR比MLCC的高一个数量级。因此，以氧化铌电容代替钽电容是一个值得考虑的方案。钽固体电解电容用钽金属作为基阳极材料(即，正极侧电容器板)，涂覆以五氧化钽电介质，并使用二氧化锰或聚合物膜作为负电极材料(即，负极侧电容板)。

氧化铌电容带导电NbO阳极与五氧化二铌电介质。铌是钽的同族元素，但密度较低。它们采用类似方法加工，并具有类似电性能;然而，对于任何给定的额定电压，铌电介质更具鲁棒性。这意味着：就相同电压等级来说，铌工作时的电场应力比钽小，且可靠性更高，但也限制了其最高额定电压并略微增大了其ESR。但在波纹应用中，ESR的微小差异被铌材料的较高比热和较低热阻抗所补偿。这意味着，类似指标的钽和铌氧化物具有类似的纹波性能。

在低纹波频率，X5R或X7R(II级电介质)MLCC的典型ESR比钽或铌增加的更快。因此，后者更受音频应用的青睐，但由于过度自发热，两者都不应用于低频应用(例如，100Hz以下的线应用)。当为开关模式应用选用较大的层叠陶瓷电容时，制造商的软件通常会在低频、当自发热或纹波电压本身超限时，发出警报，且还可能因使用II类陶瓷而未施加直流电压偏置而得到另一个警告。

II类陶瓷电容的介电结构，可以设想为域的集合，这些域内部带有随所加AC电压的变化而相应变化的内部偶极子。但是，如果没有用于补偿的DC偏置，当经历反向电压时，各个域将翻转，从而增加了内部发热。因此，对于低频应用，因可能需要更低的介电常数(即，对于给定的尺寸和电压/电容值组合具有更低电容值)、更大的尺寸或多个电容元件的层叠(如层叠开关模式中的陶瓷电容)，所以诸如NP0/C0G等I类电介质一般是更佳选择。

对用在DC链路应用中、500uF~1mF/450V~1kV范围的大薄膜电容(电动汽车的车用逆变器是典型应用)来说，纹波电流将使器件发热，但其大的质量意味着需要考虑其热时间常数。事实上，在某些情况，在波纹应用中，可能需要一个小时左右的时间电容才达到平衡温度。聚丙烯由于其在大纹波电流条件下，极低的功耗和由此产生的低发热，通常是首选电介质。这种电容通常具有针对特定车辆和/或逆变器应用的定制规范。

例如，所有的薄膜电容都带固有的自愈机制，但是，可以通过采用金属电极系统内的特殊结构强化这种自愈机制，这样总电容表面区域可分成平行的多个微元件，以防范短路故障。随着时间的推移，长时间的高温和施加电压会降低电容值，但如果已知应用的忙/闲时间，则可以精确计算实际电容值与标称值的误差并在初始设计就予以考虑。

结论

总之，纹波一般是你要尽量规避的电路状态。然而，在某些应用中，它也可以是一种有效的设计功能。