片式鉭電容器的浪涌失效及防止

1、鉭電容器的浪涌失效及防止片式鉭電容器的浪涌失效占到總失效數(shù)的90%以上，這與其苛刻的使用條件有直接關(guān)系，片式鉭電容器基本上都是使用在電源模塊上作濾波用，在開關(guān)時不可避免要產(chǎn)生持續(xù)時間極短，沖擊很強烈的電壓和電流浪涌，如圖一所示。上圖是在電容器生產(chǎn)過程中進行浪涌測試時的合格標準說明圖示。圖中黑線是浪涌電流曲線，橫軸是時間線，總的時間不超過20微秒。從曲線可以看出，浪涌產(chǎn)生的時間小于1微秒，應(yīng)該在納秒級，所以在如此短時間內(nèi)產(chǎn)生的能量密度就非常高。此時介質(zhì)層五氧化二鉭上承受的場強沖擊之高可見一斑。浪涌電流IP值的大小可以通過如下公式根據(jù)某規(guī)格產(chǎn)品的標準ESR值進行計算得出；鉭電容器能夠儲能和濾波是因

2、為其無定形的介質(zhì)層具有阻止直流電通過，容許交流電通過的基本特性。但是，它的這種特性是在通電后，介質(zhì)層兩端的不同電荷徹底完成極化后才出現(xiàn)。在極化完成之前電容器的介質(zhì)層不具有介電性能。此特點是電解電容器與二極管最根本的區(qū)別。只有在電容器的極化完成后它才具有能量儲存的性能。也可以這樣理解；在電容器完成極化前，電容器只是一個網(wǎng)絡(luò)組織非常復雜的具有電阻的導體。而這一點，現(xiàn)在還有很多人，包括電容器生產(chǎn)者和使用者都了解不夠，甚至認識錯誤。在開關(guān)電源電路，接觸的瞬間，浪涌產(chǎn)生的時間極短，而且電流非常大。在浪涌產(chǎn)生時，電容器的介質(zhì)層兩端的極化還沒有完成，因此，當浪涌電流通過電容器時，電容器相當于一個導體或者網(wǎng)絡(luò)

3、電阻。電容器的阻直流通交流特性必須發(fā)生在介質(zhì)層兩端不同電荷徹底完成極化分布后才開始呈現(xiàn)出來。而極化過程又受到電容量大小的影響；容量越低的電容器極化完成的越快，容量越大的產(chǎn)品極化完成的越慢。既dv/dt值的變化與產(chǎn)品的容量有直接關(guān)系。對于容量大的產(chǎn)品，需要更長的極化完成時間。在極化完成前，作為介電層的五氧化二鉭無定形晶體并不具有二極管PN結(jié)那樣的固有單向?qū)芰?，大的電流可以瞬間通過。隨極化完成，通過的電流才逐漸被阻止，產(chǎn)生電壓降，電容器特性呈現(xiàn)。由于電流的產(chǎn)生要比電壓的產(chǎn)生先一個相位角，而且浪涌電流的形成幾乎是在瞬間產(chǎn)生，而且持續(xù)時間遠小于電容器的極化時間，因此，當浪涌電流通過電容器時，此時的

4、電容器還未呈現(xiàn)出電容特征，它此時實際上相當于一個由無數(shù)個具有內(nèi)阻并聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò)狀電阻導體。根據(jù)焦耳-楞次定律，具有電阻的導體在通過電流時會產(chǎn)生熱量，熱量PMAX的大小與電流的平方成正比，與電阻的大小成正比，見下式；PMAX=電流平方R從上式可以看出，當R一定時，如果電流值較大，電容器上瞬間產(chǎn)生的熱量將指數(shù)倍地增加。由于同時介質(zhì)層上產(chǎn)生的電應(yīng)力也可以導致微觀上五氧化二鉭晶體的微量位移，因此，這一突然產(chǎn)生的能量集中而產(chǎn)生的沖擊就非常猛烈，完全有可能導致介質(zhì)層因為高場強和高熱量而破壞。當這個持續(xù)時間極短的大電流通過電容器時，我們看看電容器內(nèi)部都發(fā)生了什么現(xiàn)象？電容器的陽極基體由無數(shù)個純鉭粉粒子互相連

5、接組成。一樣可以在其表面形成五氧化二鉭的純鉭絲是其正極引出線。在介質(zhì)層形成后，它實際上已經(jīng)成為一個能夠儲能的電容器，在使用化學分解在介質(zhì)層上形成電子點導型的二氧化錳后，它就成為固體電容器。當極化完成前，由純金屬鉭顆粒并聯(lián)組成的的電容器從電學特性上講相當于一個由無數(shù)個小電容并聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò)電阻，如下圖示；上圖可演化成入下的電路類型；鉭電容器等效串聯(lián)電阻RESR的構(gòu)成RESR=R MnO2+Rta+RTa2O5 R MnO2RMnO2RMnO2RMnO2RMnO2RTaRTaRTaRTaC1C2C3CnRMnO2RMnO2RMnO2RMnO2C1C2C3Cn簡化為在浪涌電流通過時，由于極化還未完成，

6、因此，電容器此時只是相當于由無數(shù)個小電阻并聯(lián)成的大電阻，其總電阻ESR=1/R1+R2+R3+R4+Rn，其總?cè)萘?C1+C2+C3+C4+Cn.每一個粒子及其顆粒間的純鉭金屬連接通道就相當于一個R1或R2，直至Rn。如果R1=R2=R3=R4=Rn，根據(jù)并聯(lián)電路的電流變化關(guān)系，總電流會被均勻分流，流過每一個粒子及粒子間通道的電流都一樣大，而實際上，上述描述只是一個簡單的數(shù)學模型，只是一個理想的電連接結(jié)構(gòu)。由于電容器使用的鉭粉是由不同粒子半徑組成的鉭粉顆粒構(gòu)成，因此，必然存在通道直徑和孔隙不一樣大的部位。根據(jù)電流通過導體的趨附效應(yīng)；導體上流過的電流大小與孔徑的平方成正比，與導體中心半徑的平方成

7、正比，因此，在通道直徑較大的地方，也就是通道電阻較大的地方，由于電阻隨通道直徑的截面積減小而增加，此處產(chǎn)生的熱量將非常高。此處的介質(zhì)層上因此產(chǎn)生的場強和熱量將遠高于其它部位，極短時間內(nèi)的高場強和高溫，瞬間就可以使此處的介質(zhì)層擊穿并在極短時間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，最后引發(fā)連鎖反應(yīng)，產(chǎn)品發(fā)熱而爆炸。浪涌失效的產(chǎn)品，不一定就是該產(chǎn)品的漏電流大而失效，但一定是該只產(chǎn)品的電連接結(jié)構(gòu)存在電阻過高的部位和場強集中的部位。因此，浪涌失效很難預(yù)防，而且存在隨機性。避免浪涌失效的方法如下；首先，產(chǎn)品的陽極設(shè)計必須合理，產(chǎn)品任何部位不能存在突出的部分，同時，產(chǎn)品內(nèi)部不能存在過大的孔隙。鉭粉粒子間的連接截面積必須足夠，不能存在粒子間通道截面積過小的狀態(tài)。這一點對于中高壓產(chǎn)品尤其重要。二，所有的產(chǎn)品在包裝