工艺和设计对薄膜电容器ESR的影响(修改)

直流电容器ESR 的影响工艺和设计对工艺和设计对直流直流电容器

李建涛

（来恩伟业（鹤壁）电子科技有限责任公司，河南鹤壁458030）

摘要：为了降低DC-Link 电容器的ESR ，使之能在电路中表现出更好的性能，有更低的能量损耗、更低

的发热和更低的温升，在设计和工艺方面需要做相应的工作。通过试验对比，相对窄膜、相对低方阻、相对短的引线和相对可靠的焊接等，都对降低薄膜电容器的ESR 有显著的作用。关键词：DC-link 电容器；ESR ；设计结构；方阻；工艺中图分类号：

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文章编号：

The design and the manufacturing process have an influence on the DC-link capacitors' ESR

Li Jiantao

(LionGreat Exploit (Hebi)Electronic Technology co.,ltd., Hebi, Henan 458030, China) Abstract:In order to lower DC-Link capacitors' ESR,and make them have better ablility in electric circuit,have lower energy losses,lower heat release,lower temperature rise,we need to make some works on the design and the manufacturing process of capacitors. From some tests,proper narrow film,proper low square resistance,proper short lead and reliable point of weld,all of the above are good for lower the film capacitors' ESR.

Keywords:DC-link capaciror; ESR(EquivalentSeries Resistance); struction of design; square resistance; manufacturing process

0引言

ESR 是Equivalent Series Resistance 的缩写，即“等效串联电阻”。理想电容器自身不会有任何的能量损失，但实际上，因为制造电容器的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就称为“等效串联电阻”。近年来，随着DC-link 电容器的应用越来越广泛，越来越多的整机厂家把ESR 做为DC-link 电容器性能指标中的一个重要指标，特别是变频器厂家。ESR 的大小会明显影响变频器整机的性能和寿命[1]。随着整机行业逐步将铝电解电容器更换为薄膜电容器，薄膜电容器的ESR 问题也逐渐成为电容器制造厂家亟待解决的问题。本文就如何降低薄膜电容器ESR 问题，在工艺和设计方面给出了解决方向。

1设计方面

因为电容器介质材料的损耗跟材料本身有关，目前损耗较小且应用广泛的介质材料是聚丙烯薄膜，所以在设计方面从三个方面进行工作：①电容器用膜的规格；②电容器用膜的方阻；③电容器的设计结构。

对ESR 的影响1.1同电压、容量时，膜宽同电压、容量时，膜宽对

在同电压、容量下，若选用的膜厚度一致，方阻一致，则窄膜时相当于电流流经的路径短，如图1所示,上图表示使用宽膜，下图表示使用窄膜，图中所示宽膜的电流路径要大于窄膜的电流路径。

图1不同膜宽电流路径对比示意图

另外，要想达到相同的容量，必须达到相同的有效面积，而有效面积等于有效宽度与卷绕长度的乘积，在相同的有效面积情况下，窄膜必须有较长的卷绕长度，对于电容器来说电流经过的横截面积就较大。所以根据金属材料的电阻公式：R=ρL/S（注：这里ρ代表材料的电阻率，L 是电流流经路径长度，S 是电流通过的横截面积。）可以推出，膜越窄，L （电流路径）越小，S （在这里相当于卷绕长度）越大，致使R 值越小，对应电容器来说ESR 越小。以某公司需求的2500VDC-2100μF产品为例：

分别采用12×100×4.0的网状安全膜和12×75×4.0的TD 型安全膜，边缘方阻均为1～3Ω/□，正常区方阻均为10～15Ω/□。芯子及芯组数据对比见表1：

表1

用膜规格12×100×4.012×75×4.0

不同宽度膜做相同产品其ESR 值比较

单芯ESRmin 12.8mΩ5.6mΩ

单芯ESRavg 13.54mΩ5.76mΩ

结构并36并80

芯组ESR 值0.5mΩ0.1mΩ

单芯ESRmax 15.0mΩ6.0mΩ

从表1中的芯组ESR 数值可以看出，薄膜厚度一致的情况下，同容量、电压的产品选用较窄的薄膜会极大改善电容器的ESR 值。

对ESR 的影响1.2同样规格的薄膜，方阻同样规格的薄膜，方阻对

根据方阻的定义，方阻是随着金属镀层的厚度增加而减小的。依然可以用公式R=ρL/S来解释。方阻变小，证明金属镀层厚度增加，即S 变大，而另两个值ρ和L 不发生变化，从而导致R 变小。表现在电容器产品上，即为ESR 变小。以某公司产品1200VDC-450μF产品为例：

采用边缘方阻为1～3Ω/□，正常区方阻分别为12.5Ω/□和11Ω/□的两种薄膜进行对比。测试数据对比见表2：

表2

膜正常区方阻12.5Ω/□11Ω/□

不同方阻膜做相同产品其ESR 值比较

ESRmin 4.2mΩ3.4mΩ

ESRavg 4.52mΩ3.72mΩ

产品数量

2020

ESR 中心值4.5mΩ3.7mΩ

ESRmax 5.0mΩ4.1mΩ

从表2可以看出，通过对正常区方阻的调整，成功将产品的ESR 值降到客户要求的范围，产品性能得到进一步提升。但是，众所周知，薄膜的耐压能力也跟方阻有着很大关系，即耐压能力随着方阻的增大而增大。所以，在调整薄膜方阻的过程中，一定要兼顾耐压能力和ESR 值，找到符合自己产品的方阻值。在特殊情况下，可以根据产品的电路中所起的作用而做相应的调整，若电路需求电容器有较高耐压时就偏向耐压能力，反之电路需求电容器有较低的损耗时，就偏向ESR 值的考虑。结构对ESR 的影响1.3高电压状态时，高电压状态时，结构对

在做高压电容器时，如果抛开ESR 性能不说，用较薄的金属化膜采取串联形式和用较厚的金属化膜采取并联的形式都能够达到电压要求。但是对ESR 的影响就不同了。即并联结构比串联结构的ESR 要小。仍以某公司需求的2500VDC-2100μF产品为例：

分别使用6×100×2.0金属化膜和12×100×4.0金属化膜进行设计。第一种设计：并18串2结构，单芯容量233.3μF，芯子外径76.5mm。第二种设计：并36结构，单芯容量58.3μF，芯子外径78.0mm。二者测试数据比较如表3：

表3

用膜规格12×100×4.06×100×2.0

单芯ESRmax 15.0mΩ6.6mΩ

不同结构的相同产品其ESR 值比较单芯ESRmin 12.8mΩ6.0mΩ

单芯ESRavg 13.54mΩ6.3mΩ

结构并36并18串2

芯组ESR 值0.5mΩ0.9mΩ

从表3看出并联结构的产品要比串联结构的产品ESR 值小接近一半。实际上可以按照欧

姆定律给一个定性的解释。两种结构的芯子数量一致，芯子外径大体一致，暂时按一致计算。那么串联结构的一极横截面积是并联结构的一半，那么串联结构电阻值应为并联结构的两倍。

2工艺方面

对ESR 的影响2.1喷金工艺喷金工艺对

众所周知，喷金质量的好坏直接影响金属膜的金属层和喷金层之间的连接质量。所以要想在此环节减少接触电阻，建议进行以下几方面的工作：第一，调整枪距议枪距在190～200mm较为合适；第二，调整送丝速度

如今，电容器

厂家多用电弧喷金机，枪距一般控制在170～200mm不等，为了得到更好的颗粒度，我们建

送丝速度的快慢影响喷金的颗粒度，

由

所以适当降低送丝速度可改善喷金的颗粒度；第三，保持芯子端面在喷金前是无灰尘的

于喷金空间常常是粉尘比较大，所以在喷第一面的时候往往会对第二面造成粉尘污染，那么在进行第二面喷金的时候，一定要用干燥洁净的压缩空气仔细将芯子端面吹干净，避免由于粉尘的原因而导致的接触损耗。2.2焊接工艺对ESR 的影响焊接工艺对

在ESR 要求较小的情况下，焊接产生的损耗电阻就显得尤为重要。我们在制作2500VDC-2100μF产品时，记录了焊接引出线前后ESR 值的增量，供大家参考，如表4所示：

表4

膜

规

格

不同结构的相同规格产品焊接引出线前后ESR 值比较

结构串联并联并联

ESR 焊接前0.9mΩ0.5mΩ0.1mΩ

ESR 焊接后1.4mΩ0.9mΩ0.5mΩ

ESR 增加量0.5mΩ0.4mΩ0.4mΩ

6×100×2.012×100×4.012×75×4.0

由于第一种结构采用的是3根引线引出，而后两种是采用4根引线引出，所以ESR 的增量有所区别，关于引线在下节详细介绍。此处，焊接前后ESR 均有一个约0.4mΩ的增量，因为这个增量是一部分是由于引线固有存在的，不可避免；另一部分是由于焊接接触电阻所致。降低这部分电阻应注意：第一，引线与铜板（芯子组合连接用铜板连接，为降低接触损耗，降低杂散电感）连接处，应保持铜板表面无氧化，若有氧化，应用砂纸打磨出铜的本色后再进行焊接；第二，焊接时，焊锡应充分熔融，使引线与铜板充分接触，尽量降低接触电阻。对ESR 的影响2.3引出线的选择引出线的选择对

因引出线本身固有的电阻无法消除，所以我们只能通过两个途径来降低其阻值：第一，缩短引线长度；第二，增加引线横截面积，即增加股数。但是，无论是缩短引线长度还是增加引线横截面积都不能无限制地调整，因为产品内部必须有绝缘距离，另外过于多股的引线

也会给焊接造成麻烦，焊接接触不好的话反而会增大接触电阻。以我们制作2500VDC-2100μF产品为例，在采用12×100膜时做了引出线的对比试验，我们在连接好的芯组上分别焊上不同股数的镀锡铜编织引出线，取相同的位置和长度，对ESR 值和损耗值分别进行测试，数据如表5：

表5

测试项目ESR 值（mΩ)损耗角正切值

不同股数引线的相同产品其ESR 值比较

3股引线0.80.0011

4股引线0.50.0007

5股引线0.50.0007

2股引线1.10.0014

从上表看出，引线股数增多能有效降低产品的ESR 值和损耗值，但4股和5股之间的测试数据没有区别。所以对于此产品来说，4股引线为一个较合适的选择。但是，由于各个产品的性能要求和结构都有所不同，在具体制作时可根据这个规律进行简单试验后选择既能达到要求，又比较经济比较合理的引线。

另外，如果能够解决焊接和安装的问题，用尽量宽的铜板代替铜引线会有更好的效果。

3电容器ESR 相关规律

在芯子进行串并联组合时，芯组的ESR 同样符合欧姆定律。举实例一个：以4个芯子组成各种组合，然后进行ESR 值的测试。见表6：

表6

芯组结构

芯子编号ESR 值

mΩ

114.8

215.0

不同组合芯组的ESR 值串

联315.6

415.2

114.8

215.0并

联315.6

415.2

4结束语

文中所提到的各种降低薄膜电容器ESR 的方法只是一个在电容器生产过程中的一个解决方向，具体到某个产品应根据具体产品的情况做相应调整。另外并非在所有电路中，大的ESR 值都是坏事，有时适当的ESR 值还会给电路带来好处。例如：在稳压电路中，有一定ESR 的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的

响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，而且在电容器的体积、容量受到严格限制的情况。这种情况多见于一些使用MOS 管做调整管的三端稳压器或相似的电路中，采用太低的ESR 电容器反而会降低整体的性能。

所以在解决此类问题时，既要考虑到电容器的实际用途，又要考虑到电容器的自身特点。按照实际情况去解决问题。参考文献

［1］

陈永真. 电容器及其应用. 北京：科学出版社，2005.

作者简介：李建涛（1980-），男，电子工程师，主要从事电容器研发及技术管理工作。

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