电解电容失效原理

开关电源中的铝电解电容器开关电源中的铝电解电容器及其注意事项及其注意事项陈永真陈永真辽宁工业大学辽宁工业大学[e-mail][e-mail]1384168572913841685729应用铝电解电容器必须考虑的问题应用铝电解电容器必须考虑的问题铝电解电容器的失效铝电解电容器的失效一、铝电解电容器失效的昀主要一、铝电解电容器失效的昀主要原因原因电解液干涸！电解液干涸！电解液干涸的原因电解液干涸的原因电解液自然挥发电解液自然挥发电解液的消耗电解液的消耗电解液自然挥发电解液自然挥发电解液的挥发速度随温度的升高电解液的挥发速度随温度的升高电解液的挥发速度与电容器的密封质量有电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关，无论在高温还是在低温条件下都要有关，无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性良好的密封性电解液的消耗电解液的消耗漏电流所引起的电化学效应消耗电解液漏电流所引起的电化学效应消耗电解液铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少漏电流随温度的升高而增加：漏电流随温度的升高而增加：2525℃℃时漏电时漏电流仅仅是流仅仅是8585℃℃时漏电流的不到十分之一时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加：耐压为漏电流随施加电压升高而增加：耐压为400V400V的铝电解电容器在的铝电解电容器在额定电压下的漏电额定电压下的漏电流大约是流大约是90%90%额定电压下的漏电流的额定电压下的漏电流的55倍。倍。电解液干涸的时间就是铝电解电电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命容器的寿命影响铝电解电容器寿命的的因素影响铝电解电容器寿命的的因素（温度（温度11））根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电解电容器的昀高工作温度可分为：解电容器的昀高工作温度可分为：一般用途：一般用途：8585℃℃一般高温用途：一般高温用途：105105℃℃特殊高温用途：特殊高温用途：125125℃℃汽车发动机舱：汽车发动机舱：140~150140~150℃℃影响铝电解电容器寿命的的因素影响铝电解电容器寿命的的因素（额定寿命小时数）（额定寿命小时数）按寿命小时数铝电解电容器可以分为：按寿命小时数铝电解电容器可以分为：一般用途（常温，一般用途（常温，33年以内）：年以内）：10001000小时小时一般用途（常温，希望比较长的时间）：一般用途（常温，希望比较长的时间）：20002000小时以上小时以上工业级：更长的寿命小时数工业级：更长的寿命小时数影响铝电解电容器寿命的的因素影响铝电解电容器寿命的的因素（温度（温度22））温度每升高温度每升高1010℃℃，寿命小时数减半，寿命小时数减半影响铝电解电容器寿命的的因素影响铝电解电容器寿命的的因素（电解液）（电解液）电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命影响铝电解电容器寿命的的因素影响铝电解电容器寿命的的因素（应用条件）（应用条件）高温缩短铝电解电容器寿命高温缩短铝电解电容器寿命高纹波电流缩短铝电解电容器寿命高纹波电流缩短铝电解电容器寿命工作电压过高缩短铝电解电容器寿命工作电压过高缩短铝电解电容器寿命二、影响铝电解电容器寿命的二、影响铝电解电容器寿命的参数与应用条件参数与应用条件工作电压与漏电流的关系工作电压与漏电流的关系工作电压与漏电流的关系工作电压与漏电流的关系CDECDE生产的生产的450V/4700450V/4700μμF/85F/85℃℃铝电解电容铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系器的漏电流与施加电压的关系温度与漏电流的关系温度与漏电流的关系CDECDE生产的生产的450V/4700450V/4700μμF/85F/85℃℃铝电解电容铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系器的漏电流与环境温度的关系温度、电压、纹波电流共同作用对温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响寿命的影响以以EPCOSEPCOS的的B43697B43697电子镇流器用铝电解电子镇流器用铝电解电容器为例。电容器为例。在不同的电压与温度条件下的铝电解电容在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同器寿命不同EPCOSEPCOS的的B43697B43697电子镇流器用电子镇流器用铝电解电容器降额寿命特性铝电解电容器降额寿命特性EPCOSEPCOS的的B43697B43697电子镇流器用电子镇流器用铝电解电容器的过电压寿命特性铝电解电容器的过电压寿命特性铝电解电容器的寿命与温度、纹波铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系电流的关系三、铝电解电容器寿命电容推三、铝电解电容器寿命电容推算方法算方法简单寿命推算简单寿命推算根据根据ESRESR、热阻、纹波电流推算寿命、热阻、纹波电流推算寿命根据温度、纹波电流与寿命的关系推算寿命根据温度、纹波电流与寿命的关系推算寿命简单寿命推算方法简单寿命推算方法11不含有纹波电流工作状态的铝电解电容器不含有纹波电流工作状态的铝电解电容器的推算：基本依据为的推算：基本依据为““1010℃℃法则法则””，即环境，即环境温度每上升温度每上升1010℃℃寿命减半，反之亦然，这寿命减半，反之亦然，这个个““1010℃℃法则法则””是在零纹波电流条件下适是在零纹波电流条件下适用。在铝电解电容器流过比较大的纹波电用。在铝电解电容器流过比较大的纹波电流时不一定适用。流时不一定适用。简单寿命推算方法简单寿命推算方法22国产某些品牌铝电解电容器推荐的方法国产某些品牌铝电解电容器推荐的方法日本品牌铝电解电容器推荐的方法日本品牌铝电解电容器推荐的方法基本思路基本思路在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由以下公式计在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由以下公式计算。算。其中，其中，LL和和L0L0分别为：实际环境温度分别为：实际环境温度TT时的寿命和额定昀时的寿命和额定昀高温度高温度T0T0时的寿命。可以看到，铝电解电容器的使用寿命时的寿命。可以看到，铝电解电容器的使用寿命随温度下降每随温度下降每1010℃℃，寿命增加一倍，即所谓，寿命增加一倍，即所谓1010℃℃法则。因法则。因此，无论是使用还是存储，铝电解电容器均应在尽量低的此，无论是使用还是存储，铝电解电容器均应在尽量低的环境温度下为好。例如环境温度下为好。例如8585℃℃/1000/1000小时的铝电解电容器在小时的铝电解电容器在4545℃℃使得实际寿命为使得实际寿命为1600016000小时，折合为小时，折合为11年零年零1010个月；个月；2929℃℃时为时为4800048000小时，折合为小时，折合为55年零年零66个月；而个月；而10001000小时折小时折合为合为4242天。可以看到，降低温度对延长铝电解电容器寿命天。可以看到，降低温度对延长铝电解电容器寿命的重要性。的重要性。⎟⎠⎞⎜⎝⎛−×=10002TTLL图解计算图解计算存在的问题存在的问题上述三种推算方法仅适用于存储状态和无上述三种推算方法仅适用于存储状态和无纹波电流（很小纹波电流）的工作状态纹波电流（很小纹波电流）的工作状态（如隔直电容、小信号电路的旁路电（如隔直电容、小信号电路的旁路电容）。对于明显含有纹波电流的工作条件容）。对于明显含有纹波电流的工作条件时，上述方法不一定适用，这时应将纹波时，上述方法不一定适用，这时应将纹波电流的效应考虑在应用条件中。电流的效应考虑在应用条件中。考虑纹波电流时的寿命推算方法考虑纹波电流时的寿命推算方法铝电解电容器的发热由于内部等效串连电阻铝电解电容器的发热由于内部等效串连电阻（（ESRESR）引起，其产生的损耗为：）引起，其产生的损耗为：（（5.165.16））其中其中II和和RR（（ESRESR）分别为：纹波电流（）分别为：纹波电流（AA）和等）和等效串联电阻（效串联电阻（ΩΩ）。由于发热引起的温升为：）。由于发热引起的温升为：（（5.175.17））其中△其中△TT、、II、、AA、、RR（（ESRESR）、）、HH分别为：电容器分别为：电容器中心的温升（℃）、纹波电流中心的温升（℃）、纹波电流(A)(A)、电容器的表、电容器的表面积面积(Cm2)(Cm2)、、ESR(ESR(ΩΩ))、散热系数、散热系数{1.5{1.5～～2.0)2.0)××1010--3W/3W/（（Cm2Cm2×℃×℃））}}。。公式（公式（5.175.17）表示了电容器的温度上升与纹）表示了电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻波电流的平方以及等效串联电阻ESRESR成正成正比，与电容器的表面积成反比，因此，纹比，与电容器的表面积成反比，因此，纹波电流的大小决定着产生热量的大小，且波电流的大小决定着产生热量的大小，且影响其使用寿命，电容器的类型以及使用影响其使用寿命，电容器的类型以及使用条件影响着△条件影响着△TT值的大小，一般情况下，值的大小，一般情况下，△△T5T5℃℃。图。图5.265.26表示纹波电流引起的温升表示纹波电流引起的温升的测量处。的测量处。铝电解电容器的温度测试铝电解电容器的温度测试利用测试结果，并考虑到环境温度和纹波电流时利用测试结果，并考虑到环境温度和纹波电流时的寿命公式：的寿命公式：（（5.185.18））其中，其中，LL、、L0L0、、KK、、T0T0、、TT、△、△TT分别为：实际使分别为：实际使用寿命、直流工作电压下的使用寿命、纹波电流用寿命、直流工作电压下的使用寿命、纹波电流系数（实际纹波电流有效值与额定纹波电流有效系数（实际纹波电流有效值与额定纹波电流有效值之比，值之比，K=2K=2时，纹波电流在允许的范围内，时，纹波电流在允许的范围内，K=4K=4时为超过纹波电流范围）、昀高使用温度、时为超过纹波电流范围）、昀高使用温度、工作温度、中心温升。工作温度、中心温升。电容器工作在额定的纹波电流和上限温度时，电电容器工作在额定的纹波电流和上限温度时，电容器的寿命可通过转化（容器的寿命可通过转化（5.185.18）式得到，如下：）式得到，如下：（（5.195.19））其中，其中，L0L0、△、△T0T0分别为：工作在额定纹波分别为：工作在额定纹波电流和昀高工作温度下的寿命（小时）、电流和昀高工作温度下的寿命（小时）、昀高工作温度下的电容器中心容许温升。昀高工作温度下的电容器中心容许温升。实际上式（实际上式（5.185.18）和式（）和式（5.195.19）所表述的是）所表述的是在测试到电容器壳的温度后所得，而并不在测试到电容器壳的温度后所得，而并不知道纹波电流的大小，如果知道纹波电流知道纹波电流的大小，如果知道纹波电流的大小，可以将式（的大小，可以将式（5.195.19）改为：）改为：（（5.205.20））其中，其中，I0I0、、II分别为：昀高工作温度下的额分别为：昀高工作温度下的额定纹波电流（定纹波电流（AA）：实际的纹波电流）：实际的纹波电流（（AA）。）。问题问题按照式（按照式（5.175.17）存在的问题就是散热系数的确）存在的问题就是散热系数的确定，生产厂商不给出用户就无法精确计算，如果定，生产厂商不给出用户就无法精确计算，如果粗略估算将会产生至少粗略估算将会产生至少30%30%的偏差。由于直接测的偏差。由于直接测量电容器的内部温升存在着困难，可以利用下表量电容器的内部温升存在着困难，可以利用下表列出了表面温度和芯包温度的换算关系。列出了表面温度和芯包温度的换算关系。铝电解电容器芯包与外壳温度的关铝电解电容器芯包与外壳温度的关系系问题问题以上的寿命的推算公式，原则上适用于周以上的寿命的推算公式，原则上适用于周围环境温度为围环境温度为+40+40℃℃到昀高工作温度范围到昀高工作温度范围内，但由于封口材料的老化等因素，实际内，但由于封口材料的老化等因素，实际的推算寿命时间一般昀大为的推算寿命时间一般昀大为1515年。年。式式5.175.17到式到式5.205.20的表述与计算均非常麻烦，的表述与计算均非常麻烦，而且由于测试以及个体电容器的导热差异而且由于测试以及个体电容器的导热差异