毕业设计（论文）-电容元件应用基础研究

1、目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1引言11.2课题研究意义11.3国内外研究现状21.3.1电容的定义21.3.2电容器的主要参数31.3.3电容的分类及应用场合41.4主要研究内容6第2章 整流滤波电容的建模仿真72.1电容建模与仿真72.1.1电容模型72.1.2MATLAB仿真82.2单相不可控整流电路的滤波电容102.2.1单相不可控整流电路模型102.2.2MATLAB仿真12第3章 电源滤波电容的建模仿真153.1buck电路电容滤波153.2boost电路电容滤波163.3MATLAB建模仿真183.4滤波电容的选择223.5 储能电容233.5.1储能电容在电路中维持时间的计算方法23第4章 功率吸收电路电容的建模仿真254.1MOSFET模型254.2IGBT模型264.3吸收电路模型及电容选择27结束语30参考文献32附录33致谢35摘 要电容器是三大无源元件之一，在电子电器装置中几乎无处不在。电子电路中电容器有滤波、储能、旁路、去耦等功能，本文针对滤波和储能两个主要功能进行分析研究，从整流滤波电路、电源滤波电路、功率管吸收电路和储能四个方面对电

2、容进行计算、选型和在MATLAB上仿真。第一部分是通过建立电容等效模型搭建基础，再通过单相不可控整流电路来研究整流滤波电容，接着在buck和boost电路中研究电源滤波电容给出储能电容的计算方法，最后通过功率管研究功率吸收电路中电容。关键词：电容；滤波；储能 ；MATLABABSTRACTCapacitor is one of the three passive components, almost everywhere in the electrical and electronic devices . Electronic circuit capacitor filtering, energy storage, bypass, decoupling, filter and energy storage, this paper research and analyze two major functions, from the rectifier filter circuit, power supply filter circuit, power tube absorbing cir

3、cuit and energy storage capacitance on calculation, selection and simulation in MATLAB. Capacitance equivalent model of the first part is through the establishment of structures, foundation, again through the single-phase uncontrollable rectifier circuit to study the rectifier filter capacitance, then study in buck and the boost circuit in power supply filter capacitor energy storage capacitance calculation method is given, and finally through the study power tube power absorption circuit of cap

4、acitance. Keywords: capacitor；filtering；energy storage；power capacitors；MATLAB6武汉理工大学毕业设计(论文)第1章 绪论1.1引言电容器是由两片接近并相互绝缘的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的器件，而电容是指在给定电位差下的电荷储藏量。一般电子在电场力的作用下发生移动，当导体之间有了绝缘体作用阻碍了电子的移动时，电荷便在导体上积累形成能量存储。电容器在现代科学技术及工业领域中的应用十分广泛，种类很多根据工作时通过电流的强弱和施加电压的高低可分为电力电容器和电子电容器两大类9。因电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，所以广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。在传统电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。小容量的电容，通常在高频电路中使用，而大电容在低频电路中使用。由于充电完成后电容器两极板存储了电荷，在极板两端形成电势，当回路闭合后电容放电将电能释放，由于电容只有在充放电时才有电流流过，所以有“隔直传交”的功能。1.2课题

5、研究意义尽管电容是很简单的元器件，其制作工艺也很简单日趋完善，但是它作为电力行业的基础起着很重要的作用。目前在不同领域对电容的性能指标要求越来越严格，越来越苛刻，这就要求我们在了解电容构造和功能的基础上向新的要求创新改进，在高压和大容量方面，争取容量更大，储能更多。在精细方面要做到电容越做越小缩小产品的体积。我国的电力电容器是从1926年开始工厂生产的，其特点是大功率高电压低频率，到80年代已经能达到一千万乏每台，目前正朝着更高容量迈进。我国电力电容器制造业是在20世纪50年代开始发展起来的，当时采用的是苏联的设计和工艺，制造的是油浸纸介质电容器。1974年，我国正式停止生产和使用PCB后，研究和发展新液体介质，目前主要采用PXE苄基甲苯和苯基乙苯基乙烷。80年代我国一些电容器厂引进了国外高压电容器设计制造技术及关键设备，研究开发全膜介质电容器，90年代末，全膜介质电容器进入批量生产阶段，目前，全膜介质电容器成为并联电容器的主流产品，制造技术正日趋成熟9。电解电容器也有较久的历史，现在难点是电解电容器纸，在铝电解电容中它作为电解液的吸附载体，与电解液共同组成铝电解电容器的阴极，同时起到

6、隔离两极箔的作用，它的好坏直接影响铝电解电容的品质。此外，电容在变频器中有重要作用，据中国低压电器行业市场、产品、标杆企业研究及投资预测报告等相关资料预测，在过去的几年内中国变频器的市场保持着12%-15%的增长率，而且至少在未来的5年内保持着10%以上的增长率，因此电容未来在变频方面有很多成长空间。在国外，德国宜开吉公司研发的MKPg充气式电容器具有体积小，安全防爆，工作时间长，击穿后自愈等功能。现在国内外都热门的是薄膜电容器，它体积小，无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小，不同材质的薄膜有不同特性，运用在很多高新技术模块中。1.3国内外研究现状电容是由两片接近并相互绝缘的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的器件，而电容是指在给定电位差下的电荷储藏量。作为电力方面的支柱，电容器一直起到重要的不可或缺的作用，本章主要介绍电容的基本参数以及分类和运用场合。1.3.1电容的定义电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。电容器是用来存储电荷的电器，最简单的电容器由电介质和被他隔开的两个金属电极

7、组成。对任意孤立的不受外界影响的导体来说，当导体带电时，导体所带的电量Q与相应的电位U的比值为C，即C=Q/U (1.1)式中C电容，F；Q电荷，C；U电压，V电容C与电容器电极的形状、大小及布置方式有关。平行板电容器是最常见的一种。当极板间距离与极板尺寸相比很小时，可忽略其边缘效应，极板间电场可视为均匀电场。平行板电容C和相应的电极有效面积S成正比，与极板间距离成反比，电容计算式为C=（orS）/d (1.2)式中C平行板电容器的电容，F；o真空电容率，o=8.85410-12F/mr相对电容率，无量纲；S平行板面积，m2；d电极间距离，m。从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质，可能电荷会永久存在，这是它的特征，它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。电容器用于电路中实现旁路、去藕、滤波和储能等，电子电路中运用较多的还是滤波和储能作用。1.3.2电容器的主要参数额定电压与介质强度电容器两端可以持续施加电压，额定电压低于电容器中介质的击穿电压，制作工艺不同，击穿电压与电容器的额定电压差值也不尽相同。如氧化铝戒指的电解电容一般击穿电压为额定电压的1.1-1.3倍；其他介质

8、通常为1.75-2倍以上；抑制电源电磁干扰的电容器需要更高比值来确保电气安全。电容量电容器的电容量由测量交流容量时所呈现的阻抗决定。通常交流电容量随频率、电压以及测量方法的不同而不同，不同规格的电容器变化程度不一样，一般电容器的电容量随频率的变化低于电容量的容差精度。在交流电的作用下，电容器与电源交换能量的能力用电容器的容量或无功功率Qc表示Qc=2fCU2 (1.3)容量误差电容器在制造过程中不能保证每个电容器的电容量都与设计的一样，总有一些偏差，即电容器的容量偏差（tolerance）。电容器的容量误差以百分数表示，J级：-5+5%；K级：-10+10%；M级：-20+20%；S级：-50+50%；Z级：-80+80%。等效串联电阻（ESR） 电容器电极到引出端的电阻，一般箔式的比金属的ESR小，双金属化的电容器比加重金属化小，多引出线的ESR比单引出线的小，平面电极板的ESR比粗糙电极板的小。温度系数及工作温度温度系数是电容量随温度变化的程度，有的介质的介电系数随温度上升而变大，大多数是这一类，通常其变化范围小于容差范围；而有的介质随温度上升而变小，如聚丙烯；有的介质在不同的温度

9、范围有不同的变化，如二类陶瓷电容器。任何介质的电容器都有工作温度范围，过高的温度会使介质的物理特性发生改变而不早满足电容器使用要求，有些会永久损坏。损耗角的正切值tan损耗角的正切值:电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示（在电容器的等效电路中，串联等效电阻 ESR 同容抗 1/C 之比称之为 Tan ，这里的 ESR 是在 120Hz 下计算获得的值。显然，Tan 随着测量频率的增加而变大，随测量温度的下降而增大）。损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。散逸因数dissipationfactor(DF)存在於所有电容器中，有时DF值会以损失角tan表示。此参数愈低愈好。但铝电解电容此参数比较高。 DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率等等都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。1.3.3电容的分类及应用场合按照结构分三大类：固定电容器、 可变电容器和微调电容器；按介质分：空气介质电容器、云母电容器、纸介质电容器、有机膜介质电容器、陶瓷电容器、电解质电容器、双电层电容器（超级电容器）；按电解质分类有：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等；按

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