铝液体电解电容器

★★★ Cap-4---铝液体电解电容 ★★★

引言：电解电容器有别于其他电容器，其理由在于电极材料和介质的特殊性。铝电解电容器在阳极的铝箔表面形成作为电介质的铝氧化被膜，电解质(阴极)使用电解液(溶媒中溶解了电解质的液体)。铝电解电容器的特点在于其大电容，通过对铝箔的表面进行蚀刻来形成凹凸以增大电极表面积(S)，再在埃级的极薄状态下形成氧化被膜的厚度(d)来实现。但是与陶瓷电容器和薄膜电容器相比，等效串联电阻(ESR)变大。

铝电解电容器是使用寿命有限的产品，这是因为电解液会在温度的影响下气化，渐渐地渗透到封口橡胶中，伴随时间的推移电容下降，ESR上升，最终成为开路状态(电解液干涸)。铝电解电容器的寿命预测一般可应用“10℃-2倍的定律”。

€1.铝液体电解电容

图4-1：电容器按属性分类

如 图4-2 ，电解电容器是根据将在电极表面电化学生成的氧化被膜作为介质来使用而取的名称。铝(Aℓ)，钽(Ta)，铌(Nb)，钛(Ti)，锆(Zr)，铪(Hf)等金属可生成绵密而富于绝缘性的氧化被膜。电容器中目前已被实用化的金属包括铝，钽和铌这3种金属。在阳极的表面生成的氧化被膜只有在其被生成的电极成为阳极的时候才会呈现电气绝缘性，发挥介质的功能。因此电解电容器从原理上来看，是具有极性的电容器。

图4-2：电解电容器的原理图

图4-3：电解电容器的种类

钽非固体电解电容器限定于非常特殊的用途 ，产量也非常少因而在提到电解电容器时，可以认为是指铝电解电容器（非固体和固体）与钽固体电解电容器（下称钽电解电容器）这两种。铝电解电容器与钽电解电容器的特点和差异如表4-1所示。

表4-1：三种常用电解电容的特点和差异

铝电解电容器构造上的特点在于电极采用箔型，电解质使用液体。钽电解电容器构造上的特点在于阳极在电解质中使用固体。铝电解电容器和钽电解电容器，两者的最大差异体现在电解质的差异（液体或固体）上，此构造上的差异都会大大影响到其性能和可靠性。

对于温度特性，频率特性等特性，由于液体电解质电导率变化大，无论如何也比不过固体电解质。相反地，固体电解质与液体电解质相比，氧化被膜的修复性能不太好，因而如果在氧化被膜产生缺陷的情况下，往往会呈现漏电流的增加或短路这样的故障模式。耐脉动，耐充放电性能，逆电压施加性能不好，也是此修复性的差异造成的。

从寿命来看，铝非固体式电解电容器，电解液会从封口部逐渐渗透或蒸发，最终干涸导致容量下降或减少，最后成为开路状态，但是固体式电容器电解质几乎不会蒸发，与铝电解电容器相比，具有非常长的使用寿命。

** €2. 铝电解电容器的故障**

可以按照以下所图4-4示的方式来大致区分故障模式：

图4-4：故障模式分类

劣化故障是其他电容器上几乎很少有的故障模式。铝电解电容器其故障率会随着时间的经过而增加，最终导致全部故障（开路）。致命故障会导致电容器的功能完全丧失，因而很容易判断故障，但是劣化故障时，由于其特性是慢慢地发生变化，因而在哪个阶段判断为故障，会根据所使用的电子设备的要求性能而存在差异。劣化故障时，从规格书和产品目录规格值偏离的阶段为大致标准来做出故障判断。各自的故障模式和发生要因以及与故障机理的关系如表4-2所示。

表4-2：铝电解电容器的故障模式和故障机理

**** €3. 寿命设计****

铝电解电容器是具有有限寿命的零部件，正如以上反复描述的那样，在通常的使用条件下左右其寿命的只限于温度。（因为电解液的渗透速度会随使用温度而变化之故）其他因素，也即电压和安装条件等，如表4-2项中所示，在发生异常时，将会成为导致寿命缩短的要因，在通常的条件内不成问题。

寿命的求取方法：

电解液的渗透速度，在温度每上升10℃时其速度就大约增大2倍，总结为“10℃-2倍定律”，40℃到140℃左右的范围内成立。因此可根据式1来求出该电容器在使用温度下的预期寿命，此外在简易地求取时，可以使用图4-5 。

L：实际使用时的预期寿命（小时）

T：实际使用时的周围温度 + 脉动电流的发热（℃）

L0：该电容器的保证寿命（℃）

T0：1) 叠加额定脉动电流来规定耐久性时该电容器的范畴上限温度 + 额定脉动电流设定时的发热［5℃］（℃）；2) 施加额定电压来规定耐久性时该电容器的范畴上限温度（℃）

图4-5：降额寿命时间简易换算表

**** €4. 设计示例****

使用背景：设备的预期寿命（要求寿命）在24小时连续运转下使用10年，每天运转8小时下使用10年，电容器的周围温度为65℃ （确认在背面和周围没有发热的零部件），寿命计算：考虑在105℃下使用2000小时保证品时：

即使用温度65℃下32000小时的预期寿命

选定使用的电容器：对于Ａ：24小时运转下使用10年时，L=24小时×365日×10年= 87600小时，10年的运转时间，即使是在105℃下使用2000小时的产品也不满足预期寿命，因而需要调低周围温度。对于Ｂ：1日8小时运转下使用10年时，L=8小时×365日×10年= 29200小时，10 年的运转时间在105℃下使用2000小时的产品可没有问题地使用。

****** €5. 电路设计考量******

在使用铝电解电容器时，如表4-3所示，电路设计上成问题的包括以下７个种类：

表4-3：铝电解电容选型考虑因素

(1) 过电压

要点：请勿施加额定电压以上的过电压。如果是短暂的时间（1 秒以内），可以施加至电涌电压。电路上有电感时，电容器的两端电压会上升至预想值以上。特别是对于马达上的感生电流等。

如果施加额定电压以上的过电压，就会因封口密封不良中所描述的电容器的氧化被膜自修复作用，导致容量减少，tan δ增加或电容器的破坏。

(2) 逆电压

要点：请勿施加逆电压。包括电源的ON/OFF时等在内，在施加逆电压时，请使用两极性的电容器。（但是无法在AC电路上使用）通常铝电解电容器在构造上采用只对单极进行阳极氧化并形成氧化被膜的极化构造。

(3) 纹波电流

要点：请使用具有比电路的纹波电流更大的容许脉动电流值的电容器。需要根据频率来对纹波电流进行修正，测量电路的纹波电流困难时, 请确认电容器本身的发热。请在自发热处于纹波电流的频率修正系数，将影响寿命的各频率下的纹波电流应力设定为同等，是非常具有意义的数值。纹波动电流引起的自发热影响ESR，一旦频率升高就会下降。因此频率越高，纹波电流就越易于流过。

(4) 充放电

要点：不可在频繁地反复进行充放电的电路中使用。一般的铝电解电容器在通常的状态下电流几乎不会流过，因而几乎没有什么发热。但是在充放电时会有电流流过，因而会发热。因此如果该频度增多，则会因自发热温度而导致寿命缩短，极端的情况下会导致漏电流的极端增加或电容器的破坏（电解液漏出等）。

(5) 温度特性

要点：温度引起的电气特性的变动，请考虑设备的使用环境来研究并选定电容器。铝电解电容器使用液体电解质，因而与陶瓷电容器那样的固体电解质相比，电导率变化大，所以会使得温度特性变差。

(6) 多个使用

并联使用或者串联使用２个以上的电容器，将2个以上的电容器并联连接时电容器的电阻值是接近电路电阻的值，因而在有的情况下会导致电容器间的电流失去平衡，致使脉动电流流向部分电容器。请充分考虑布线方法，让脉动电流均匀流向各电容器。

图4-6：推荐粉色连接方式

安装部位：在进行铝电解电容器安装部位的设计时，需要考虑以下项目。

表4-4：铝电解电容安装考虑因素

******** €6. 使用场景********

直流稳定电源，大致区分为断续控制方式和连续控制方式。下面就以开关调节器为例，用于开关调节器的电容器是根据电路来选定的，属于前馈型开关调节器。

① 线路滤波器电路 ：陶瓷电容器，薄膜电容器

② 输入侧平滑电路 ：铝电解电容器（层叠陶瓷电容器）

③ 缓冲电路 ：陶瓷电容器

④ 输出侧平滑电路 ：铝电解电容器，层叠陶瓷电容器，薄膜电容器，铝固体电解电容器，钽电解电容器

⑤ 控制电路 ：陶瓷电容器，薄膜电容器，钽电解电容器，铝电解电容器

(1) 输入侧（一次侧）平滑电路用铝电解电容器

在商用电压(100V.AC，200V.AC) 和商用频率(60Hz，50Hz) 下使用的输入侧平滑用铝电解电容器，是对应商用电压的高耐电压电容器，由于是商用频率（通常为全波电流），所以要求具备对应商用频率×2的耐脉动电流性能。此外电容器在所嵌装的零部件中占有较大的体积( 接地面积)，随着电源的小型化，人们对电容器提出了非常强烈的小型化要求。

(2) 输出侧平滑用铝电解电容器

在开关频率(20k～500kHz) 下被作为平滑用使用的铝电解电容器，其额定电压是根据所设定的输出电压来决定的，此外其必须具备的条件是在开关频率下为低阻抗。