電解電容壽命設(shè)計(jì)

1、一、電解電容壽命設(shè)計(jì)    本文主要是通過紋波電流的計(jì)算，然后通過電容的熱等效模型來計(jì)算電容中心點(diǎn)的溫度，在得到中心點(diǎn)溫度后，也就是得到電容的工作點(diǎn)最高的問題后，通過電容的壽命估算公式來估算電容的設(shè)計(jì)壽命。     首先，電容等效成電容、電阻（ ESR ）和電感（ ESL ）的串聯(lián)。關(guān)于此請參考其他資料，接下來演示電容壽命計(jì)算步驟：   1 、紋波電流計(jì)算紋波電流計(jì)算是得到電容功率損耗的一個(gè)重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)電容時(shí)候，我們必須首先確定下來電流的紋波大小，這和設(shè)計(jì)規(guī)格和具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)。 鋁電解電容常被用在整流模塊后以平穩(wěn)電壓，

2、我們在選擇好具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，根據(jù)規(guī)格要求得到最小的電容值： 控制某一紋波電壓所需的電容容值為： P: 負(fù)載功率（單位 W ）     注意：這是應(yīng)用所需要的最小電容容值。此外，電容容值有誤差，在工作壽命期內(nèi)，容值會(huì)逐步降低，隨著溫度降低，容值也會(huì)降低。 必須知道主線及負(fù)載側(cè)的紋波電流數(shù)據(jù)。可以首先計(jì)算出電容的充電時(shí)間。 fmain 是電網(wǎng)電流的頻率。 電容的放電時(shí)間則為： 充電電流的峰值為 dU 是紋波電壓（ Umax Umin ） 則充電電流有效值： 接下來計(jì)算放電電流峰值和有效值。 最后計(jì)算得出：整流模塊后紋波電流：     這個(gè)

3、有效值只是紋波電流的計(jì)算式，在復(fù)雜的市電輸入的情況下，我們必須考慮各階諧波的紋波有效值，也就是說要通過各階諧波的有效值疊加，才是最后得到的電容紋波壽命計(jì)算的紋波，也就是需要將電流傅立葉分解。 2 、計(jì)算功率損耗     在得到紋波電流后，我們可以計(jì)算各階電流的紋波損耗，然后將各階紋波求和： 3 、計(jì)算電容中心點(diǎn)溫度     得到功率損耗后，我們由電容的熱等效模型（參考其他資料）計(jì)算中心點(diǎn)溫度： 其中： Th 電容為電容中心點(diǎn)溫度 , 為電容最高溫度，其值直接影響到電容壽命，是電容壽命計(jì)算公式中的重要參數(shù)。 Rth 為電容的熱阻，其值和

4、風(fēng)速等有關(guān) ,Ta 表示電容表面溫度。 P Loss 為紋波電流的中損耗。 4 、計(jì)算電容壽命     得到電解 電容中心點(diǎn)最高溫度后，我們可以計(jì)算電容的壽命，各個(gè)電容生產(chǎn)廠商會(huì)有不同的電容壽命的計(jì)算參數(shù)，也有不同的電容壽命修正值，現(xiàn)我們介紹 阿列紐斯 理論來計(jì)算電容壽命，其公式是說，電容工作沒下降 10 度，其壽命增加一倍，反過來也就是電容溫度升高 10 度，電容壽命減小一倍： Lop 為電容工作壽命，即設(shè)計(jì)壽命 Lo 為電容在最大溫度時(shí)的壽命 Tmax 為電容的最大工作溫度，在電容的說明書上會(huì)有電容的最大溫度值 Th 為電容的實(shí)際工作時(shí)候的溫度，也即以上計(jì)算出

5、來的電容中心點(diǎn)溫度。     以上 Lo 和 Tmax 都是電容產(chǎn)品規(guī)格書上的數(shù)據(jù)， Th 我們已經(jīng)計(jì)算出來， 故可以得到電容的設(shè)計(jì)壽命。其中 阿列紐斯 理論是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的理論，各個(gè)廠商可能有自己的壽命計(jì)算公式，可以向各個(gè)廠商咨詢，在本欄目的電容設(shè)計(jì)中也有介紹各個(gè)知名廠商的電容壽命計(jì)算公式，各位可以參考。     以上是電容壽命估算的一般步驟，當(dāng)然，如果已經(jīng)設(shè)計(jì)好了產(chǎn)品，我們還有一種方法來估計(jì)電容壽命，即已經(jīng)有產(chǎn)品，我們來檢驗(yàn)電容壽命設(shè)計(jì)是否合理，我們可以通過測試電容中心點(diǎn)溫度的方法，然后通過電容的壽命計(jì)算公式來檢驗(yàn)。 二、影響電解

6、電容壽命的因素電解電容是電力電子設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性的元件。     在電力電子中不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娊怆娙莸囊笠膊煌?。但大多?shù)應(yīng)用中，大都要求電容具有高紋波電流值，同時(shí)要求電容適應(yīng)較高的環(huán)境溫度。電解電容在應(yīng)用于平滑、儲(chǔ)存能量或者交流電壓的濾波時(shí)，會(huì)載有交流紋波電流，此紋波電流將導(dǎo)致能量損耗并使電容變熱。由于電解電容的壽命取決于其內(nèi)部溫度，我們應(yīng)該特別注意這些因素。     電解電容是電力電子電路中最貴的元器件之一，鑒于這個(gè)原因，元器件的壽命應(yīng)受到特別的關(guān)注。尤其是在由一系列電容組成的電容組的應(yīng)用中。大多數(shù)情況下，電解電容是有壽命的器

7、件，因此了解、影響電容壽命的因素非常重要，以便使電容的預(yù)期壽命能滿足整個(gè)電路性能可靠性的要求。     一些因素會(huì)引起電解電容失效，如極低的溫度，電容溫升（焊接溫度，環(huán)境溫度，交流紋波），過高的電壓，瞬時(shí)電壓，甚高頻或反偏壓；其中溫升是對電解電容工作壽命 (Lop) 影響最大的因素。除了非正常的失效，電解電容的壽命與溫度有指數(shù)級的關(guān)系。因使用非固態(tài)電解液，電解電容的壽命還取決于電解液的蒸發(fā)速度，由此導(dǎo)致的電氣性能降低。這些參數(shù)包括電容的容值，漏電流和等效串聯(lián)電阻（ ESR ）。     電容內(nèi)部的溫升，取決于等效串聯(lián)電阻（ ESR ）

8、， 流過的紋波電流均方根值（ RMS ） ，以及熱特性。電容內(nèi)部溫度最高的點(diǎn)，叫熱點(diǎn)溫度（ Th ）。熱點(diǎn)溫度值是影響電容工作壽命的主要因素。而下列因素又決定了熱點(diǎn)溫度值實(shí)際應(yīng)用中的外界溫度（環(huán)境溫度 Ta ） , 從熱點(diǎn)傳遞到周圍環(huán)境的總的熱阻（ R th ）和由交流電流引起的能量損耗（ P LOSS ）。電容的內(nèi)部溫升與能量損耗成線形關(guān)系。     電容充放電時(shí)，電流在流過電阻時(shí)會(huì)引起能量損耗，電壓的變化在通過電介質(zhì)時(shí)也會(huì)引起能量損耗，再加上漏電流造成的能量損耗，所有的這些損耗導(dǎo)致的結(jié)果是電容內(nèi)部溫度升高。 下面我們來看怎樣計(jì)算電容的工作壽命。 P LOSS

9、= (I RMS ) ² x ESR T h = T a + P LOSS x R th B = 參考溫度值（ 典型值 為 85 ） A = 參考溫度下的電容壽命（根據(jù)電容器直徑的不同而變化） C = 導(dǎo)致電容壽命減少一半所需的溫升度數(shù) ( 螺栓端電容的典型溫度為 12 )     在非固態(tài)電解液的電容里，電介質(zhì)為陽極鋁箔氧化層。電解液作為陰極鋁箔和陽極鋁箔氧化層之間的電接觸。吸收電解液的紙介層成為陰極鋁箔與陽極鋁箔之間的隔離層，鋁箔通過電極引接片連接到電容的終端。     電容的導(dǎo)電能力由電解液的電離能力和粘度決定。當(dāng)溫度

10、降低時(shí)，電解液粘度增加，因而離子移動(dòng)性和導(dǎo)電能力降低。當(dāng)電解液冷凍時(shí)，離子移動(dòng)能力非常低以致非常高的電阻。相反，過高的熱量將加速電解液蒸發(fā)，當(dāng)電解液的量減少到一定極限時(shí)，電容壽命也就終止了。     直接和間接地提高電容壽命的主要因素是哪些呢？     應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的電解電容經(jīng)常工作在高紋波電流狀態(tài)和較高的環(huán)境溫度中， 可以用以下三種方式延長工作壽命 ·通過降低 ESR 值，可減少電容內(nèi)由紋波電流引起的內(nèi)部溫升。這可通過采用多個(gè)電極引接片、激光焊接電極等措施實(shí)現(xiàn)。 ESR 值和紋波電流決定了電容的溫升。而 ESR 值與

11、頻率具有相關(guān)性，這增加了計(jì)算電容能量損失的復(fù)雜性。但 Evox Rifa 公司的設(shè)計(jì)提供了較平坦的 ESR 特性，即使在較低的交流頻率下仍有較好的 ESR 性能，通常情況下，頻率高時(shí)， ESR 值較低。    促使電容能有滿意的 ESR 值的主要措施之一是：通常用一個(gè)或多個(gè)金屬電極引接片連接外部電極和芯包。芯包上的電極引接片越多，電容的 ESR 值越低。然而，電極引接片的數(shù)量受到電容穩(wěn)定性的限制（取決于連接電極引接片和電極的加工過程）。借助于 Evox Rifa 公司開發(fā)的激光焊接技術(shù)，可在芯包上加上更多的電極引接片，因此使電容能達(dá)到較低的 ESR 值。這也意味著

12、電容能經(jīng)受更高的紋波電流和具有較低內(nèi)部溫升，也就是說更長的工作壽命。     這樣做也有利于提高電容抗擊震動(dòng)的能力，否則有可能導(dǎo)致內(nèi)部短路、高的漏電流、容值損失、 ESR 值的上升和電路開路。 · 通過對電容芯包和鋁殼底部之間良好的機(jī)械接觸及通過芯包中間的熱沉，可將電容內(nèi)部熱量有效地從鋁殼底部釋放到與之聯(lián)接的底板。     內(nèi)部熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)對于電容的穩(wěn)定性和工作壽命極其重要。將 負(fù)極鋁箔被延長到可直接接觸電容鋁殼厚的底部。這底部就成為芯包的散熱片，以使熱點(diǎn)的熱量能釋放。如選用帶螺栓安裝方式，安全地將電容安裝到底板上（通常為鋁板

13、），可得到更為全面的具有較低熱阻（ R th . ） 的熱傳導(dǎo)解決方案。 · 通過采用整體繞注有電極的酚醛塑料蓋和雙重的特制的封墊與鋁殼緊密咬合，可大大減少電解液的損失。     電解液通過密封墊的蒸發(fā)決定了長壽命的電解電容工作時(shí)間。當(dāng)電容的電解液蒸發(fā)到一定程度，電容將最終失效（這個(gè)結(jié)果會(huì)因內(nèi)部溫升而加速）。     以上這些特性保證了電容在要求的領(lǐng)域中具有很長的工作壽命。同時(shí)，如果對具體應(yīng)用有較好的理解。 電容壽命結(jié)束的定義     如先前所討論過的，溫升是最關(guān)鍵的因素。電容越熱，電容的壽命越

14、短。溫度不斷的升高將在電容的容值、電解液導(dǎo)電性、鋁材料的熱阻、漏電流、化學(xué)性能的不穩(wěn)定和腐蝕過程各方面引起變化。     隨著電容的老化，容值降低， ESR 值增加，電容壽命要根據(jù)具體應(yīng)用來界定。在某些電路中，如果只允許容值和 ESR 值發(fā)生很小的變化，那和允許較大的允差情況相比，意味著電容會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)失效。     ESR 值由三部分引起的 ：隨著溫升而增加的電極引接片和鋁箔之間的電阻，隨著溫升而迅速降低的電解液的電阻（氧化層），和隨著頻率增加而降低的電介質(zhì)的電阻。最后一部分在頻率高于 1.5 KHz. 時(shí)可忽略。  

15、   電容壽命結(jié)束是基于幾個(gè)給定參數(shù)值的變化量而定義的。這些參數(shù)是容值（ C ）、等效串聯(lián)電阻（ ESR ）、損耗角（ DF ）和漏電流 (I L ) 。     各生產(chǎn)商根據(jù)其電容的性能，對電容的壽命有不同的定義。 電容壽命結(jié)束的定義基于以下參數(shù)值： D C = 15% for V r £ 160 VDC (V r = 額定電壓 ). 10% for V r > 160 VDC. ESR ³ 2 倍初始值 DF (tan d ) ³ 1.3 倍額定值 I L ³ 額定值 減少成本  &#

16、160;  盡管對電容的具體要求有所不同，但通常處理高紋波電流時(shí)都會(huì)要求電容具有較大的容值。在某種程度上來說這是必要的，但因各生產(chǎn)廠商生產(chǎn)技術(shù)各不相同，為滿足某一紋波電流和工作壽命所需的電容容值也不相同。因此，根據(jù)不同的電容設(shè)計(jì)，某供應(yīng)商的電容容值有時(shí)高于另一家的。 電容的設(shè)計(jì)、材料和制作工序都決定了電容的壽命和穩(wěn)定性。好的設(shè)計(jì)可使較小的電容容值就能滿足應(yīng)用中的紋波電流的要求，尤其是在一些紋波電流負(fù)載要求不高，容值要求較低的電路應(yīng)用中。也就是說，某容值的電容在電路中可能工作良好，但由于高紋波電流導(dǎo)致工作壽命太短。這種情況下，必須選擇“過設(shè)計(jì)”電容去適應(yīng)電流環(huán)境。而對于設(shè)計(jì)良好的電解電

17、容，減少了“過設(shè)計(jì)”的需要，從而在相當(dāng)程度上盡可能節(jié)約了成本。三、電容失效的防范      電解電容的一般失效模式如下圖：     電容器在過壓狀態(tài)下容易被擊穿，而實(shí)際應(yīng)用中的瞬時(shí)高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。 UR 額定電壓 US 浪涌電壓， 1000 個(gè)周期，無載 330 秒，帶載 30 秒 (Us 一般為 110%115% 倍 UR) UT 瞬態(tài)高電壓 LC 濾波器中， 開關(guān)動(dòng)作時(shí)，也可能產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓。 該瞬時(shí)過電壓會(huì)對電容產(chǎn)生“過沖擊” 采用半導(dǎo)體元件的軟開關(guān)技術(shù)可有效地防止瞬時(shí)過電壓。   &

18、#160; 整流器前的濾波器可濾除一些高速瞬時(shí)高壓，但不可能全部。     如果鋁電解電容器的正負(fù)極連接錯(cuò)誤，只需很短的時(shí)間就會(huì)造成電容器的損壞。因此為避免類似的連接錯(cuò)誤，電容器上正極會(huì)旋轉(zhuǎn) 90 °。     超出額定值的電流會(huì)造成電容內(nèi)部溫升過高，而縮短其工作壽命。但如果紋波電流的持續(xù)時(shí)間與熱傳導(dǎo)時(shí)間常數(shù) 相比 更短，則不會(huì)對電容造成損害。     電容內(nèi)部的熱點(diǎn)溫度決定了電容器的工作壽命?？墒褂脺囟葌鞲衅鳒y量電容工作時(shí)的內(nèi)部溫升。（溫度傳感器須直接接觸電容鋁殼）   &

19、#160; 對于螺栓端連接鋁電解電容器 ，可在電容內(nèi)部插入熱偶的方法測量。 四、鋁電解電容的漏電流、紋波和壽命1 、 漏電流（ Leakage current IL ）     作為電介質(zhì)的氧化鋁層具有的一個(gè)特性：即使在 DC 正向電壓施加于電容器一段時(shí)間后仍有一個(gè)微小電流持續(xù)從正電極流向負(fù)電極。這個(gè)微小的電流即稱為漏電流。越小的漏電流表明電介質(zhì)制作得越精良。1.1 漏電流的時(shí)間 / 溫度 / 正向電壓特性： 圖 漏電流的時(shí)間特性 圖 漏電流的溫度特性 圖 漏電流的正向電壓特性     如上圖漏電流的時(shí)間特性所示，在施加正向電壓的最初

20、數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的漏電流（稱為涌入電流 inrush current 。電容器如長期未施加電壓后這一現(xiàn)象就更明顯）。隨著工作時(shí)間的延續(xù)，此漏電流將衰減到一個(gè)很小的“穩(wěn)定狀態(tài)”值。漏電流的溫度特性見中間一圖所示，一般地隨著溫度的升高漏電流將會(huì)變得越來越大。漏電流的溫度特性見右邊一圖所示，一般地隨著溫度的升高漏電流將會(huì)變得越來越大。 Aluminum Electrolytic Capacitors 1.2 工作漏電流（ Operating leakage current I LOP ）     指穩(wěn)定持續(xù)工作下的穩(wěn)定電流。一些制造商會(huì)提供一些關(guān)于此數(shù)值的計(jì)

21、算方法或特征曲線。不同制造商，不同規(guī)格類型的電容器，不同的應(yīng)用環(huán)境（溫度、所施加電壓等）都有不同的計(jì)算方式或特征曲線，當(dāng)單獨(dú)對待。例如 EPCOS 提供其 AI 的漏電流計(jì)算式如下：     這些計(jì)算方法將得到額定電壓 UR 及 20 ° C 條件時(shí)的漏電量數(shù)值。對于其它溫度和電壓條件下則應(yīng)該進(jìn)行一些乘積運(yùn)算，具體情況當(dāng)根據(jù)規(guī)格數(shù)提供的方法進(jìn)行折算。例如 DIN 41 240 and DIN 41 332 規(guī)定對其它溫度條件的換算作了如下乘積運(yùn)算： 溫度 ( ° C) 0 20 50 60 70 85 125 乘積因子（典型值） 0 5 1 4

22、 5 6 10 12 5 Nichicon 提供其 AI 的漏電流特征曲線： 1.3 漏電流的測試標(biāo)準(zhǔn)（ Leakage current for acceptance test I L ）     依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN 130 300 ，當(dāng)以額定電壓正向施加于電容器 5 分鐘時(shí)刻測試得到漏電流作為標(biāo)準(zhǔn)值。 對于雙極型，數(shù)值當(dāng)乘以 2 作為判定標(biāo)準(zhǔn)。判定標(biāo)準(zhǔn)如下： 溫度乘積變換如下 溫度 ( ° C) 15 20 25 30 35 乘積因子（典型值） 0 8 1 1 5 2 2 5     仲裁測試被指定于 20 ° C

23、條件下。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) IEC 60384-4 ，漏電流合格與否的仲裁還需要先對電容器進(jìn)行一個(gè)稱為重整（ Reforming ）的預(yù)處理，然后再進(jìn)行測試。如不進(jìn)行重整預(yù)處理漏電流測試就已經(jīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，那么預(yù)處理工作就可省略掉。 1.4 無壓存儲(chǔ)對漏電流的影響 ( voltage-free storage)     無加壓存儲(chǔ)電解電容會(huì)使氧化層惡化，在高溫環(huán)境下更是如此。這將導(dǎo)致電容在長期閑置存儲(chǔ)后初始使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)超出額定數(shù)值的漏電流（在最初一分鐘內(nèi)，此數(shù)值可能會(huì)達(dá)到額定數(shù)值的 100 倍左右）。雖然此電流將會(huì)回落到正常的額定值，但在應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中要考慮產(chǎn)品長期閑置后

24、大漏電流的沖擊承受能力例如電路中設(shè)計(jì)中的其它與此相關(guān)的電路參數(shù)是否能夠承受此沖擊。 2 、 紋波電流（ IRAC ）     額定紋波電流 IRAC 又稱為最大允許紋波電流。其定義為：在最高溫度工作溫度條件下電容器最大所能承受的交流紋波電流有效值。并且指定的紋波為標(biāo)準(zhǔn)頻率（一般為 100Hz/120Hz ）的正弦波。 2.1 紋波定義及其與壽命關(guān)系：     紋波電流在這里指的是流經(jīng)電容器的交流電流的 RMS 值，其在電容電壓上的表現(xiàn)為脈動(dòng)或紋波電壓。電容器最大允許紋波電流受環(huán)境溫度、電容器表面溫度（及散熱面積）、損耗角度（或 ESR

25、 ）以及交流頻率參數(shù)的限制。溫度是電解電容器件壽命的決定性因素，因此由紋波產(chǎn)生的熱損耗將成為電容壽命的一個(gè)關(guān)鍵參考因數(shù)。2.2 紋波與頻率：     電解電容的損耗因子（其與 ESR 有關(guān)）隨所施加電壓的頻率不同而不同。故電容的紋波承受度不簡單是一個(gè)固定量，跟其紋波頻率還成一關(guān)系。規(guī)格書目中提供的某一數(shù)值往往指的是 100 或 120 Hz 的頻率，或是一些特定的頻率條件下。對于其它頻率情況規(guī)格書通常會(huì)提供一個(gè)轉(zhuǎn)換因數(shù)。 2.3 紋波與溫度：     額定紋波電流是在最高工作溫度條件下定義的數(shù)值。而實(shí)際應(yīng)用中電容的紋波承受度還跟其使用

26、環(huán)境溫度及電容自身溫度等級有關(guān)。規(guī)格書目通常會(huì)提供一個(gè)在特定溫度條件下各溫度等級電容所能夠承受的最大紋波電流。甚至提供一個(gè)詳細(xì)圖表以幫助使用者迅速查找到在一定環(huán)境溫度條件下要達(dá)到某期望使用壽命所允許的電容紋波量。 3 、 自壽命（ Shelf Life ）及負(fù)載壽命 (Load Life) 3.1 自壽命（ Shelf Life ）     當(dāng)電解電容在不充電狀態(tài)下長期放置之后，漏電流及 ESR 將會(huì)逐漸增大，而容量會(huì)逐漸衰減。然而常溫條件下普通電容兩年左右的存儲(chǔ)以及低漏電流電容約半年的存存儲(chǔ)都不會(huì)令這些參數(shù)有太大的惡化。故一般情況下這些特性都不會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中帶來

27、麻煩。     這種變化往往被解釋為電解液與氧化鋁薄膜間的化學(xué)反應(yīng)所致。     另一個(gè)致使漏電流增大的原因是電解液滲透到氧化膜缺陷處并替代氧氣擴(kuò)散，以阻止缺陷處暴露于電解液高溫的環(huán)境將令密封材質(zhì)的密封力度逐漸衰減，從而加速電解液的揮散。這些都會(huì)致使電容器參數(shù)的惡化。     一般規(guī)格書目會(huì)提供一個(gè)上限溫度情況下的自壽命值（多長的時(shí)間之后，容量值、損耗角、漏電流等關(guān)鍵參數(shù)能夠保持在多少的范圍之內(nèi)）。 3.2 負(fù)載壽命 (Load Life)     當(dāng)電解電容被長時(shí)間施加了一

28、定的 DC 電壓及紋波電流之后，一些關(guān)鍵參數(shù)將會(huì)往不良方面發(fā)展（容量衰減、損耗角增大等）。規(guī)格書目將對這些變化量進(jìn)行規(guī)范并據(jù)此定義其電容器件的壽命。     在負(fù)載壽命測試中（施加了一定的 DC 電壓及紋波電流），漏電流往往都保持著很小的一個(gè)數(shù)量值，這是由于其間的 DC 電壓一直在對作為電介質(zhì)的氧化鋁層進(jìn)行修復(fù)作用（消耗電解液）。容量及損耗角的改變主要是由于電解液的消耗（揮散及自身分解）所致。高溫環(huán)境會(huì)加快電解液的消耗速度。故負(fù)載壽命的計(jì)算其實(shí)就是歸結(jié)為器件內(nèi)部溫度的求解過程。五、鋁電解電容器基本構(gòu)造、原理及基本電氣參數(shù)l 基本結(jié)構(gòu)   

29、60; 一個(gè)基本鋁電解電容器由如下幾部分組成：陰極鋁箔；電解紙；電解液；陽極鋁箔以及形成于陽極鋁箔表面作為電介質(zhì)的氧化鋁層。 原理結(jié)構(gòu)剖面示意圖及繞制結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖一 原理結(jié)構(gòu)剖面示意圖 繞制結(jié)構(gòu)示意圖 1 、 電介質(zhì)（氧化鋁層） ：     如圖一所示，形成于陽極內(nèi)側(cè)表面極薄的一層氧化鋁在電解電容中扮演電介質(zhì)的角色。它具有優(yōu)越的介電常數(shù) e 及單向特性（ rectifying properties ）當(dāng)與電解液接觸后，這層氧化膜就具有優(yōu)良的單方向絕緣特性（ forward direction insulation property ）。電介質(zhì)這一特性決定了

30、一般電解容的單向極性應(yīng)用。如果陰 / 陽都有此般同樣的氧化薄膜，那么其就成為無極性行電解電容。在工藝上，這一層是在一片高純度的蝕刻鋁箔上進(jìn)行極化處理而得。陽極箔片進(jìn)行極性化的這一過程需要施加一定的 DC 電壓進(jìn)行，這一電壓被稱為“化成電壓”（ Forming Voltage” ）。這個(gè)電介質(zhì)層的厚度近乎正比于極化過程所施加的“化成電壓”，大約有 0.00130.0015 (mm)/ V 的關(guān)系。氧化鋁形成的化學(xué)表達(dá)式： 2Al+3H2O à Al2O3+3H2 (Gas) +3e- (Electron) 。電介質(zhì)層同時(shí)構(gòu)成了一個(gè)依電壓變化而變化的電阻，經(jīng)過此電阻的電流即所謂的漏電流。

31、當(dāng)電壓到達(dá)“化成電壓”后，漏電流急劇上升以至損壞電容器。此具有單向特性電介質(zhì)無法承受反向的電壓 ( 大于 1.5V dc) ，很小的反向電壓就會(huì)形成很大的反向電流以損壞電容器。如下圖所示： 陽極箔片進(jìn)行極性化所施加的“形成電壓”決定了電介質(zhì)（氧化鋁層）的厚度，而此厚度決定了此電容器的耐壓等級。 2 、 電解液及電解紙：     將電解紙隔離的陰陽鋁箔繞卷成圓柱狀，即可稱為“電容器單元”。但此時(shí)的電介質(zhì)是電介紙和氧化鋁層共同充當(dāng)。這種單元具有很小的電容量。注入電解液后，陰陽鋁箔就有了電氣接觸，電介質(zhì)就單獨(dú)由陽鋁箔上的氧化鋁層獨(dú)自扮演了，而電解液就形成了實(shí)際的電容陰極

32、。電容的許多特性由這些電解液決定，故供應(yīng)制造商會(huì)根據(jù)電氣規(guī)格，工作溫度及應(yīng)用場合等配制不同的電解液以適應(yīng)要求。電解紙主要作用有：以其毛孔存儲(chǔ)電解液；提供阻止電氣短路的足夠空間；提供陰陽兩鋁箔所需的介電強(qiáng)度。 3 、 陰陽極鋁箔：     圖一所示的陰陽鋁箔面對面一邊成曲線狀，是為了表示這在工藝上對此兩面進(jìn)行了蝕刻處理以增加有效面積，從而增加了電容量。 4 、 電容量： 電解電容容量表達(dá)式如下： l 鋁電解電容電氣參數(shù)定義及特性 1 電壓參數(shù) 如上示意圖，電解電容的電壓參數(shù)主要有： 1.1 額定電壓（ Rated voltage U R ） 額定電壓指電容器的設(shè)計(jì)最

33、大連續(xù)正常工作電壓。 1.2 直流電壓（ DC Voltage UDC ） 額定電壓指施加于電容器件的直流電壓的平均值 1.3 交流疊加電壓 / 紋波電壓（ Superimposed AC VoltageUAC/ ripple voltage ） 交流疊加電壓又稱紋波電壓 , 指疊加于直流電壓上的最大交流電壓成分。施加的 DC 電壓與交流疊加電壓 ( 紋波電壓 ) 之和不能大于電容器的額定電壓 , 既有關(guān)系式 :UAC+UDC UR 。 1.4 額定反向電壓（ Rated reversed voltage URE ） 額定反向電壓指電解電容最大允許反向電壓（非持續(xù)性）。電介質(zhì)（氧化鋁層）單向特

34、性（ rectifying properties ）決定了電解電容具有很小的反向耐壓特性。一般只有 1V 左右的容許量。 1.5 浪涌電壓（ Surge voltage US ） 浪涌電壓指允許短時(shí)間內(nèi)施加于電解電容的最大電壓值。按 IEC 60384-4 規(guī)定，電電解電容應(yīng)具有這樣的浪涌電壓值：對于 UR 315 V 的電解電容， U S = 1.15 X UR ； 對于 UR 315 V 的電解電容， US = 1.10 X UR 。浪涌電壓允許持續(xù)的時(shí)間和發(fā)生的頻率請參閱具體規(guī)格書目。 1.6 瞬間電壓 (Transient voltageUT) 有些電容能夠承受得住大于浪涌電壓的一個(gè)電

35、壓值，此一參數(shù)往往沒能在供應(yīng)商提供的公共性規(guī)格書中找到 . 這是由于這些特別的電容一般是根據(jù)客戶提出的個(gè)性要求而特制，而非一般公售品。 2 、 容量值參數(shù) 2.1 AC 和 DC 容量     電容量可由兩種測試方法獲得：阻抗測量法 ( 以相位及幅度考量 ) 或者電量測試法 ( 施加直流電壓時(shí)其所存儲(chǔ)的電量 ). 。此兩種方法的結(jié)果會(huì)有輕微的差異一般地。直流電壓測試方式得到的容量值 (DC 電容 ) 會(huì)較交流方式得到的容量值 (AC 電容 ) 大些 . 兩者間的因子大約在 1.1 到 1.5 之間，此關(guān)系在低容量等級的產(chǎn)品中會(huì)有很大的偏差，對應(yīng)于最常見之應(yīng)用 ( 即濾波及耦合 ) ，往往以 AC 電容值決定電解電容的容量。 電解電容簡化等效