電解電容器基礎知識電源

1、講座第9講 電解電容器基礎知識（四）一般用途電解電容器（續(xù)2）（鋁電解電容器的應用環(huán)境對鋁電解電容器參數(shù)的影響） 陳永真 Chapter 9 Basic Knowledge of Electrolytic Capacitor (4) -General Purposes of Electrolytic Capacitor(Effect of Application Environment of Aluminum-Electrolytic Capacitor on its Parameter)1 電容量的溫度特性電容量隨溫度變化，變化本身由額定電壓和電容器尺寸決定。在25到高溫限，電容量

2、增加一般不超過10%。對最低額定溫度-40，低壓電容器的電容量典型下降20%，對高壓電容器的電容量下降到40%。大多數(shù)在40C下降小于10%，在-55小于20%。EPCOS的不同額定電壓，鋁電解電容器電容量與溫度的關系如圖1。圖1 EPCOS的鋁電解電容器的電容量與溫度的關系由圖中可以看到，通常低額定電壓時特性曲線比較陡峭，這是由于為增加陽極表面積而腐蝕得更加粗糙性（深度腐蝕）的結果。當然，也可以應用特殊的電解液（電解液的粘度隨溫度變化小些）獲得較小的隨溫度變化的電容，使得電容器能夠工作在0以下很大范圍內電容量變化不大，這在特殊的應用中是有意義的。國產(chǎn)高壓電解電容器，一般最低工作溫度為-20，

3、而溫度-40則需要定制。2 電容量與頻率的關系鋁電解電容器的有效電容量隨頻率增加而下降可，如圖2所示。圖2 鋁電解電容器的電容量與頻率的關系其原因是由于介質吸收和損耗因數(shù)造成，這在以介質損耗為最主要損耗的薄膜電容器無疑是正確的。但是，在鋁電解電容器中的損耗是作為電極的電解液自身電阻產(chǎn)生的損耗，氧化鋁的頻率特性絕不會那么差。所以，鋁電解電容器的電容量隨頻率上升而減小的特性不應該是介質損耗的問題。作者認為：由于鋁電解電容器為增大電極表面積而將陽極/陰極鋁箔腐蝕得非常粗糙，這樣，與粗糙的陽極電極深處對應的是電解液的陰極。由于電解液具有較高的電阻率，使得粗糙的陽極電極深處的電容到引出端實際上已成為RC

4、電路，隨著頻率的上升，這個子電容的作用越來越弱，等效電容也越來越小，這才是鋁電解電容器的電容量隨頻率上升而減小的真正原因。鋁電解電容器的傳統(tǒng)應用，主要是整流濾波、旁路等對電容量變化不敏感的應用中，因此鋁電解電容器也就不需要嚴格的電容量問題。鋁電解電容器相對于溫度、頻率的變化，對應用來說是幾乎沒有影響的。所以，在實際應用時鋁電解電容器的電容量與溫度、頻率的關系可以忽略， 不予考慮。3 漏電流與應用環(huán)境的關系漏電流是對流層電解電容器損傷最大的問題之一，因為漏電流會消耗電解液，造成鋁電解電容器過早的干涸失效。因此，要格外的關注漏電流問題。3.1 長期放置會增加鋁電解電容器的漏電流以及解決方法需要注意

5、的是，鋁電解電容器經(jīng)過長時間無電壓狀態(tài)的存儲后而沒有任何的應用時，其電解液中的氯離子對氧化鋁介質膜的損傷最大，尤其溫度很高的條件下進行存儲時，從氧化層到陽極沒有漏電流流過，氧化層就不能重新產(chǎn)生。結果是當延長存儲后再接入電壓時，會產(chǎn)生一個高于正常值的漏電流。然而，隨著使用過程中氧化層的重新產(chǎn)生，漏電流會逐漸降低至正常值。同時，由于鐵、銅離子的原電池效應也逐漸恢復，使得鋁電解電容器的漏電流需要一個長時間的施加電壓過程加以恢復。這個過程稱為老化或賦能。通常在鋁電解電容器使用前最好進行賦能。鋁電解電容器可在無電壓狀態(tài)下存儲，國內一般廠家存儲1年或國外著名廠商存儲2年以上，在應用前需要進行賦能。如果長期

6、置放的鋁電解電容器沒進行賦能，可能會出現(xiàn)第一次通電時漏電流值高達其正常值的100倍。當電容器的存儲時間超過2年，電容器能否承受得住這個高的初始漏電流非?？膳隆Ｒ虼?，在鋁電解電容器裝入電路前，最好是對鋁電解電容器實施賦能程序為好。另外，帶有電容器的電路已經(jīng)達到或超過存儲年限以上時，應該使電容器工作在無負載狀態(tài)下空載1小時，以防止過大的漏電流和紋波電流共同作用，使鋁電解電容器過熱而導致的“爆漿”事故發(fā)生，使電容器的漏電流得到恢復。由此可以看到，對于帶有鋁電解電容器的電路在存儲期間，應每年加電一次數(shù)小時，以保證繼續(xù)的存儲時電路中鋁電解電容器的性能。不可否認的是，密封良好的鋁電解電容器甚至可存儲至15

7、年而沒有任何的性能損耗。如果鋁電解電容器存儲時間沒有超出，電容器從庫中取出后可直接應用于額定電壓。在這種情況下，賦能過程可以不需要。3.2 漏電流的電壓特性在數(shù)據(jù)手冊中，鋁電解電容器的漏電流測試條件：電壓為額定電壓；溫度為最高工作溫度。在不同的電壓下，鋁電解電容器的漏電流隨所施加的電壓變化如圖3所示。圖3 鋁電解電容器的漏電流與電壓的關系圖中符號改為斜體圖3中，UR為鋁電解電容器的額定電壓、US為浪涌電壓、UF為陽極氧化電壓（擊穿電壓）。從圖中可以看到UFUSUR，漏電流隨電解電容器端電壓上升而增加，當端電壓超過額定電壓并接近浪涌電壓時，漏電流的上升速率隨電壓的上升而增加，當端電壓接近擊穿電壓

8、時漏電流將急劇增加，最后變?yōu)轭愃蒲┍罁舸┑暮銐禾匦?。這種“雪崩擊穿”特性，在鋁電解電容器沒有產(chǎn)生“爆漿”、穿通等不可逆的損壞時是可逆的?？梢酝ㄟ^鋁電解電容器的漏電流在電容器端電壓接近浪涌電壓后明顯增加的特性，測量鋁電解電容器的實際額定電壓。圖4為CDE生產(chǎn)的450V/4700F/85鋁電解電容器的漏電流與施加電壓的關系。圖4 漏電流與施加電壓的關系由圖4可以看到：在最高工作溫度85時，100%額定電壓的漏電流是90%額定電壓時漏電流的4倍，是95%時漏電流的2倍。很顯然，降低鋁電解電容器的工作電壓將有利于漏電流的降低。還可以看到：在維持相同的漏電流的條件下，降低工作溫度可以允許工作電壓的提升。

9、如以漏電流為1mA為例，環(huán)境溫度85時對應的工作電壓為額定電壓的101.5%，而環(huán)境溫度降低到25后，對應的工作電壓為額定電壓的113%。由此可見，在最高工作溫度和額定電壓條件下，鋁電解電容器所產(chǎn)生的熱量會使其芯包附加溫升11.5，大約占總溫升的10%20%。3.3 漏電流的溫度特性從定性關系看，以最高工作溫度85的鋁電解電容器為例，漏電流與溫度的變化趨勢如圖5所示。可以看到，鋁電解電容器的漏電流隨溫度上升而明顯增加。圖5 鋁電解電容器漏電流與溫度的關系從定量關系看，CDE生產(chǎn)的450V/4700F/85鋁電解電容器的漏電流與環(huán)境溫度的關系如圖6所示。圖6 漏電流與溫度的關系從圖中可以看到：8

10、5的最高工作溫度時的漏電流是室溫（25）的14倍。漏電流的降低可以有效的降低電解液的損耗，有利于延長鋁電解電容器的使用壽命。 3.4 漏電流的損耗從圖4和圖6可以看到，在最高工作溫度下，鋁電解電容器在額定電壓下漏電流的損耗約為0.4W，而工作在室溫下僅僅為0.03W。如果降低工作電壓到90%額定電壓，則損耗可以降低到0.004W。從以上分析可以看到，適當?shù)慕档凸ぷ麟妷汉铜h(huán)境溫度，可以使漏電流降低1個2個數(shù)量級，這對鋁電解電容器的長期可靠的使用極其有利。因此，從漏電流角度考慮，鋁電解電容器無論是否應用最好定期加電賦能，以確保其性能；鋁電解電容器無論是存儲還是工作都不適于高溫環(huán)境，高溫環(huán)境將大大縮

11、短鋁電解電容器的壽命，并且使其漏電流性能下降。4 鋁電解電容器的損耗因數(shù)與應用的關系環(huán)境溫度和工作頻率對鋁電解電容器的損耗因數(shù)有著比較明顯的影響。鋁電解電容器的損耗因數(shù)與溫度、頻率的關系如圖7所示。 圖7 鋁電解電容器的損耗因數(shù)與溫度、頻率的關系：(a) 某100F/63V鋁電解電容器；(b) 某47F/350V鋁電解電容器上圖下部的文字刪除，分別只保留(a)與 (b)，圖中線條改細從圖中可以看到：鋁電解電容器的損耗因數(shù)隨溫度的上升而減小，因此，由損耗因數(shù)引起的損耗造成溫度上升得到抑制，是一個收斂的結果。由于電解液的電阻率隨溫度的上升而減小，因此，損耗因數(shù)隨測量溫度的下降（ESR增加）而增大。

12、鋁電解電容器的損耗因數(shù)隨頻率增加而增加。從圖中可以看到：頻率增長1個數(shù)量級，損耗因數(shù)隨著增長接近1個數(shù)量級。這種增長與式tan=CR的趨勢變化基本一致。從圖中還可以看到，實際的損耗因數(shù)增長速度快于上式。其原因是：產(chǎn)生損耗因數(shù)的主體是作為陰極的電解液的電阻，而電解液是離子導電，離子導電在不同的頻率下所產(chǎn)生的損耗是不同的。因此，鋁電解電容器的損耗因數(shù)除了ESR外，還有不同頻率的作用使電解液產(chǎn)生的損耗。這種損耗因數(shù)隨頻率增加而增加的結果，與無極性電容器由于介質的損耗造成的損耗因數(shù)有質的區(qū)別。因為，作為鋁電解電容器的介質（氧化鋁）損耗特性絕不會差到這種程度。5 鋁電解電容器的應用環(huán)境與壽命的關系除了應用環(huán)境影響鋁電解電容器的電容量、漏電流參數(shù)外，還有一個看不到但是對鋁電解電容器影響最大的參數(shù)影響最大，這就是應用環(huán)境對鋁電解電容器壽命的影響，由于壽命問題牽涉著多種因素。（未完待續(xù)）作者簡介陳永真，1956年生，1982年1月畢業(yè)