电解电容寿命设计.docx

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电解电容寿命设计

一、电解电容寿命设计

   本文主要是通过纹波电流的计算，然后通过电容的热等效模型来计算电容中心点的温度，在得到中心点温度后，也就是得到电容的工作点最高的问题后，通过电容的寿命估算公式来估算电容的设计寿命。

   首先，电容等效成电容、电阻（ESR）和电感（ESL）的串联。

关于此请参考其他资料，接下来演示电容寿命计算步骤：

 1、纹波电流计算

纹波电流计算是得到电容功率损耗的一个重要参数，在设计电容时候，我们必须首先确定下来电流的纹波大小，这和设计规格和具体拓扑结构相关。

铝电解电容常被用在整流模块后以平稳电压，我们在选择好具体拓扑结构后，根据规格要求得到最小的电容值：

控制某一纹波电压所需的电容容值为：

P:

负载功率（单位W）

   注意：

这是应用所需要的最小电容容值。

此外，电容容值有误差，在工作寿命期内，容值会逐步降低，随着温度降低，容值也会降低。

必须知道主线及负载侧的纹波电流数据。

可以首先计算出电容的充电时间。

fmain是电网电流的频率。

电容的放电时间则为：

充电电流的峰值为

dU是纹波电压（Umax–Umin）

则充电电流有效值：

接下来计算放电电流峰值和有效值。

最后计算得出：

整流模块后纹波电流：

   这个有效值只是纹波电流的计算式，在复杂的市电输入的情况下，我们必须考虑各阶谐波的纹波有效值，也就是说要通过各阶谐波的有效值叠加，才是最后得到的电容纹波寿命计算的纹波，也就是需要将电流傅立叶分解。

2、计算功率损耗

   在得到纹波电流后，我们可以计算各阶电流的纹波损耗，然后将各阶纹波求和：

3、计算电容中心点温度

   得到功率损耗后，我们由电容的热等效模型（参考其他资料）计算中心点温度：

其中：

Th电容为电容中心点温度,为电容最高温度，其值直接影响到电容寿命，是电容寿命计算公式中的重要参数。

Rth为电容的热阻，其值和风速等有关,Ta表示电容表面温度。

PLoss为纹波电流的中损耗。

4、计算电容寿命

   得到电解电容中心点最高温度后，我们可以计算电容的寿命，各个电容生产厂商会有不同的电容寿命的计算参数，也有不同的电容寿命修正值，现我们介绍阿列纽斯理论来计算电容寿命，其公式是说，电容工作没下降10度，其寿命增加一倍，反过来也就是电容温度升高10度，电容寿命减小一倍：

Lop为电容工作寿命，即设计寿命

Lo为电容在最大温度时的寿命

Tmax为电容的最大工作温度，在电容的说明书上会有电容的最大温度值

Th为电容的实际工作时候的温度，也即以上计算出来的电容中心点温度。

   以上Lo和Tmax都是电容产品规格书上的数据，Th我们已经计算出来，故可以得到电容的设计寿命。

其中阿列纽斯理论是一个经验总结的理论，各个厂商可能有自己的寿命计算公式，可以向各个厂商咨询，在本栏目的电容设计中也有介绍各个知名厂商的电容寿命计算公式，各位可以参考。

   以上是电容寿命估算的一般步骤，当然，如果已经设计好了产品，我们还有一种方法来估计电容寿命，即已经有产品，我们来检验电容寿命设计是否合理，我们可以通过测试电容中心点温度的方法，然后通过电容的寿命计算公式来检验。

二、影响电解电容寿命的因素

电解电容是电力电子设计中的一个关键性的元件。

   在电力电子中不同的应用领域对电解电容的要求也不同。

但大多数应用中，大都要求电容具有高纹波电流值，同时要求电容适应较高的环境温度。

电解电容在应用于平滑、储存能量或者交流电压的滤波时，会载有交流纹波电流，此纹波电流将导致能量损耗并使电容变热。

由于电解电容的寿命取决于其内部温度，我们应该特别注意这些因素。

   电解电容是电力电子电路中最贵的元器件之一，鉴于这个原因，元器件的寿命应受到特别的关注。

尤其是在由一系列电容组成的电容组的应用中。

大多数情况下，电解电容是有寿命的器件，因此了解、影响电容寿命的因素非常重要，以便使电容的预期寿命能满足整个电路性能可靠性的要求。

   一些因素会引起电解电容失效，如极低的温度，电容温升（焊接温度，环境温度，交流纹波），过高的电压，瞬时电压，甚高频或反偏压；其中温升是对电解电容工作寿命（Lop）影响最大的因素。

除了非正常的失效，电解电容的寿命及温度有指数级的关系。

因使用非固态电解液，电解电容的寿命还取决于电解液的蒸发速度，由此导致的电气性能降低。

这些参数包括电容的容值，漏电流和等效串联电阻（ESR）。

   电容内部的温升，取决于等效串联电阻（ESR），流过的纹波电流均方根值（RMS），以及热特性。

电容内部温度最高的点，叫热点温度（Th）。

热点温度值是影响电容工作寿命的主要因素。

而下列因素又决定了热点温度值实际应用中的外界温度（环境温度Ta）,从热点传递到周围环境的总的热阻（Rth）和由交流电流引起的能量损耗（PLOSS）。

电容的内部温升及能量损耗成线形关系。

   电容充放电时，电流在流过电阻时会引起能量损耗，电压的变化在通过电介质时也会引起能量损耗，再加上漏电流造成的能量损耗，所有的这些损耗导致的结果是电容内部温度升高。

下面我们来看怎样计算电容的工作寿命。

PLOSS=（IRMS）²xESR

Th=Ta+PLOSSxRth

B=参考温度值（典型值为85℃）

A=参考温度下的电容寿命（根据电容器直径的不同而变化）

C=导致电容寿命减少一半所需的温升度数（螺栓端电容的典型温度为12℃）

   在非固态电解液的电容里，电介质为阳极铝箔氧化层。

电解液作为阴极铝箔和阳极铝箔氧化层之间的电接触。

吸收电解液的纸介层成为阴极铝箔及阳极铝箔之间的隔离层，铝箔通过电极引接片连接到电容的终端。

   电容的导电能力由电解液的电离能力和粘度决定。

当温度降低时，电解液粘度增加，因而离子移动性和导电能力降低。

当电解液冷冻时，离子移动能力非常低以致非常高的电阻。

相反，过高的热量将加速电解液蒸发，当电解液的量减少到一定极限时，电容寿命也就终止了。

   直接和间接地提高电容寿命的主要因素是哪些呢？

   应用于电力电子领域的电解电容经常工作在高纹波电流状态和较高的环境温度中，

可以用以下三种方式延长工作寿命

·通过降低ESR值，可减少电容内由纹波电流引起的内部温升。

这可通过采用多个电极引接片、激光焊接电极等措施实现。

ESR值和纹波电流决定了电容的温升。

而ESR值及频率具有相关性，这增加了计算电容能量损失的复杂性。

但EvoxRifa公司的设计提供了较平坦的ESR特性，即使在较低的交流频率下仍有较好的ESR性能，通常情况下，频率高时，ESR值较低。

   促使电容能有满意的ESR值的主要措施之一是：

通常用一个或多个金属电极引接片连接外部电极和芯包。

芯包上的电极引接片越多，电容的ESR值越低。

然而，电极引接片的数量受到电容稳定性的限制（取决于连接电极引接片和电极的加工过程）。

借助于EvoxRifa公司开发的激光焊接技术，可在芯包上加上更多的电极引接片，因此使电容能达到较低的ESR值。

这也意味着电容能经受更高的纹波电流和具有较低内部温升，也就是说更长的工作寿命。

   这样做也有利于提高电容抗击震动的能力，否则有可能导致内部短路、高的漏电流、容值损失、ESR值的上升和电路开路。

·通过对电容芯包和铝壳底部之间良好的机械接触及通过芯包中间的热沉，可将电容内部热量有效地从铝壳底部释放到及之联接的底板。

   内部热传导设计对于电容的稳定性和工作寿命极其重要。

将负极铝箔被延长到可直接接触电容铝壳厚的底部。

这底部就成为芯包的散热片，以使热点的热量能释放。

如选用带螺栓安装方式，安全地将电容安装到底板上（通常为铝板），可得到更为全面的具有较低热阻（Rth.）的热传导解决方案。

·通过采用整体绕注有电极的酚醛塑料盖和双重的特制的封垫及铝壳紧密咬合，可大大减少电解液的损失。

   电解液通过密封垫的蒸发决定了长寿命的电解电容工作时间。

当电容的电解液蒸发到一定程度，电容将最终失效（这个结果会因内部温升而加速）。

   以上这些特性保证了电容在要求的领域中具有很长的工作寿命。

同时，如果对具体应用有较好的理解。

电容寿命结束的定义

   如先前所讨论过的，温升是最关键的因素。

电容越热，电容的寿命越短。

温度不断的升高将在电容的容值、电解液导电性、铝材料的热阻、漏电流、化学性能的不稳定和腐蚀过程各方面引起变化。

   随着电容的老化，容值降低，ESR值增加，电容寿命要根据具体应用来界定。

在某些电路中，如果只允许容值和ESR值发生很小的变化，那和允许较大的允差情况相比，意味着电容会在较短的时间内失效。

   ESR值由三部分引起的：

随着温升而增加的电极引接片和铝箔之间的电阻，随着温升而迅速降低的电解液的电阻（氧化层），和随着频率增加而降低的电介质的电阻。

最后一部分在频率高于1.5KHz.时可忽略。

   电容寿命结束是基于几个给定参数值的变化量而定义的。

这些参数是容值（C）、等效串联电阻（ESR）、损耗角（DF）和漏电流（IL）。

   各生产商根据其电容的性能，对电容的寿命有不同的定义。

电容寿命结束的定义基于以下参数值：

DC=15%forVr£160VDC（Vr=额定电压）.

10%forVr>160VDC.

ESR³2倍初始值

DF（tand）³1.3倍额定值

IL³额定值

减少成本

   尽管对电容的具体要求有所不同，但通常处理高纹波电流时都会要求电容具有较大的容值。

在某种程度上来说这是必要的，但因各生产厂商生产技术各不相同，为满足某一纹波电流和工作寿命所需的电容容值也不相同。

因此，根据不同的电容设计，某供应商的电容容值有时高于另一家的。

电容的设计、材料和制作工序都决定了电容的寿命和稳定性。

好的设计可使较小的电容容值就能满足应用中的纹波电流的要求，尤其是在一些纹波电流负载要求不高，容值要求较低的电路应用中。

也就是说，某容值的电容在电路中可能工作良好，但由于高纹波电流导致工作寿命太短。

这种情况下，必须选择“过设计”电容去适应电流环境。

而对于设计良好的电解电容，减少了“过设计”的需要，从而在相当程度上尽可能节约了成本。

三、电容失效的防范

     电解电容的一般失效模式如下图：

   电容器在过压状态下容易被击穿，而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。

UR额定电压

US浪涌电压，1000个周期，无载330秒，带载30秒

（Us一般为110%~115%倍UR）

UT瞬态高电压

LC滤波器中，开关动作时，也可能产生瞬时过电压。

该瞬时过电压会对电容产生“过冲击”

采用半导体元件的软开关技术可有效地防止瞬时过电压。

   整流器前的滤波器可滤除一些高速瞬时高压，但不可能全部。

   如果铝电解电容器的正负极连接错误，只需很短的时间就会造成电容器的损坏。

因此为避免类似的连接错误，电容器上正极会旋转90°。

   超出额定值的电流会造成电容内部温升过高，而缩短其工作寿命。

但如果纹波电流的持续时间及热传导时间常数τ相比更短，则不会对电容造成损害。

   电容内部的热点温度决定了电容器的工作寿命。

可使用温度传感器测量电容工作时的内部温升。

（温度传感器须直接接触电容铝壳）

   对于螺栓端连接铝电解电容器，可在电容内部插入热偶的方法测量。

四、铝电解电容的漏电流、纹波和寿命

1、漏电流（LeakagecurrentIL）

   作为电介质的氧化铝层具有的一个特性：

即使在DC正向电压施加于电容器一段时间后仍有一个微小电流持续从正电极流向负电极。

这个微小的电流即称为漏电流。

越小的漏电流表明电介质制作得越精良。

1.1漏电流的时间/温度/正向电压特性：

图漏电流的时间特性

图漏电流的温度特性

图漏电流的正向电压特性

   如上图漏电流的时间特性所示，在施加正向电压的最初数分钟的时间内会出现一个很大的漏电流（称为涌入电流inrushcurrent。

电容器如长期未施加电压后这一现象就更明显）。

随着工作时间的延续，此漏电流将衰减到一个很小的“稳定状态”值。

漏电流的温度特性见中间一图所示，一般地随着温度的升高漏电流将会变得越来越大。

漏电流的温度特性见右边一图所示，一般地随着温度的升高漏电流将会变得越来越大。

AluminumElectrolyticCapacitors

1.2工作漏电流（OperatingleakagecurrentILOP）

   指稳定持续工作下的稳定电流。

一些制造商会提供一些关于此数值的计算方法或特征曲线。

不同制造商，不同规格类型的电容器，不同的应用环境（温度、所施加电压等）都有不同的计算方式或特征曲线，当单独对待。

例如EPCOS提供其AI的漏电流计算式如下：

   这些计算方法将得到额定电压UR及20°C条件时的漏电量数值。

对于其它温度和电压条件下则应该进行一些乘积运算，具体情况当根据规格数提供的方法进行折算。

例如DIN41240andDIN41332规定对其它温度条件的换算作了如下乘积运算：

温度（°C）

0

20

50

60

70

85

125

乘积因子（典型值）

0．5

1

4

5

6

10

12．5

Nichicon提供其AI的漏电流特征曲线：

1.3漏电流的测试标准（LeakagecurrentforacceptancetestIL）

   依据标准EN130300，当以额定电压正向施加于电容器5分钟时刻测试得到漏电流作为标准值。

对于双极型，数值当乘以2作为判定标准。

判定标准如下：

温度乘积变换如下

温度（°C）

15

20

25

30

35

乘积因子（典型值）

0．8

1

1．5

2

2．5

   仲裁测试被指定于20°C条件下。

依据标准IEC60384-4，漏电流合格及否的仲裁还需要先对电容器进行一个称为重整（Reforming）的预处理，然后再进行测试。

如不进行重整预处理漏电流测试就已经符合标准，那么预处理工作就可省略掉。

1.4无压存储对漏电流的影响（voltage-freestorage）

   无加压存储电解电容会使氧化层恶化，在高温环境下更是如此。

这将导致电容在长期闲置存储后初始使用时会产生一个远超出额定数值的漏电流（在最初一分钟内，此数值可能会达到额定数值的100倍左右）。

虽然此电流将会回落到正常的额定值，但在应用电路设计中要考虑产品长期闲置后大漏电流的冲击承受能力—例如电路中设计中的其它及此相关的电路参数是否能够承受此冲击。

2、纹波电流（IRAC）

   额定纹波电流IRAC又称为最大允许纹波电流。

其定义为：

在最高温度工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流有效值。

并且指定的纹波为标准频率（一般为100Hz/120Hz）的正弦波。

2.1纹波定义及其及寿命关系：

   纹波电流在这里指的是流经电容器的交流电流的RMS值，其在电容电压上的表现为脉动或纹波电压。

电容器最大允许纹波电流受环境温度、电容器表面温度（及散热面积）、损耗角度（或ESR）以及交流频率参数的限制。

温度是电解电容器件寿命的决定性因素，因此由纹波产生的热损耗将成为电容寿命的一个关键参考因数。

2.2纹波及频率：

   电解电容的损耗因子（其及ESR有关）随所施加电压的频率不同而不同。

故电容的纹波承受度不简单是一个固定量，跟其纹波频率还成一关系。

规格书目中提供的某一数值往往指的是100或120Hz的频率，或是一些特定的频率条件下。

对于其它频率情况规格书通常会提供一个转换因数。

2.3纹波及温度：

   额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值。

而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。

规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。

甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

3、自寿命（ShelfLife）及负载寿命（LoadLife）

3.1自寿命（ShelfLife）

   当电解电容在不充电状态下长期放置之后，漏电流及ESR将会逐渐增大，而容量会逐渐衰减。

然而常温条件下普通电容两年左右的存储以及低漏电流电容约半年的存存储都不会令这些参数有太大的恶化。

故一般情况下这些特性都不会在实际应用中带来麻烦。

   这种变化往往被解释为电解液及氧化铝薄膜间的化学反应所致。

   另一个致使漏电流增大的原因是电解液渗透到氧化膜缺陷处并替代氧气扩散，以阻止缺陷处暴露于电解液高温的环境将令密封材质的密封力度逐渐衰减，从而加速电解液的挥散。

这些都会致使电容器参数的恶化。

   一般规格书目会提供一个上限温度情况下的自寿命值（多长的时间之后，容量值、损耗角、漏电流等关键参数能够保持在多少的范围之内）。

3.2负载寿命（LoadLife）

   当电解电容被长时间施加了一定的DC电压及纹波电流之后，一些关键参数将会往不良方面发展（容量衰减、损耗角增大等）。

规格书目将对这些变化量进行规范并据此定义其电容器件的寿命。

   在负载寿命测试中（施加了一定的DC电压及纹波电流），漏电流往往都保持着很小的一个数量值，这是由于其间的DC电压一直在对作为电介质的氧化铝层进行修复作用（消耗电解液）。

容量及损耗角的改变主要是由于电解液的消耗（挥散及自身分解）所致。

高温环境会加快电解液的消耗速度。

故负载寿命的计算其实就是归结为器件内部温度的求解过程。

五、铝电解电容器基本构造、原理及基本电气参数

●基本结构

   一个基本铝电解电容器由如下几部分组成：

阴极铝箔；电解纸；电解液；阳极铝箔以及形成于阳极铝箔表面作为电介质的氧化铝层。

原理结构剖面示意图及绕制结构示意图如下：

图一原理结构剖面示意图

绕制结构示意图

1、电介质（氧化铝层）：

   如图一所示，形成于阳极内侧表面极薄的一层氧化铝在电解电容中扮演电介质的角色。

它具有优越的介电常数e及单向特性（rectifyingproperties）当及电解液接触后，这层氧化膜就具有优良的单方向绝缘特性（forwarddirectioninsulationproperty）。

电介质这一特性决定了一般电解容的单向极性应用。

如果阴/阳都有此般同样的氧化薄膜，那么其就成为无极性行电解电容。

在工艺上，这一层是在一片高纯度的蚀刻铝箔上进行极化处理而得。

阳极箔片进行极性化的这一过程需要施加一定的DC电压进行，这一电压被称为“化成电压”（FormingVoltage”）。

这个电介质层的厚度近乎正比于极化过程所施加的“化成电压”，大约有0.0013~0.0015（mm）/V的关系。

氧化铝形成的化学表达式：

2Al+3H2OàAl2O3+3H2（Gas）+3e-（Electron）。

电介质层同时构成了一个依电压变化而变化的电阻，经过此电阻的电流即所谓的漏电流。

当电压到达“化成电压”后，漏电流急剧上升以至损坏电容器。

此具有单向特性电介质无法承受反向的电压（大于1.5Vdc），很小的反向电压就会形成很大的反向电流以损坏电容器。

如下图所示：

阳极箔片进行极性化所施加的“形成电压”决定了电介质（氧化铝层）的厚度，而此厚度决定了此电容器的耐压等级。

2、电解液及电解纸：

   将电解纸隔离的阴阳铝箔绕卷成圆柱状，即可称为“电容器单元”。

但此时的电介质是电介纸和氧化铝层共同充当。

这种单元具有很小的电容量。

注入电解液后，阴阳铝箔就有了电气接触，电介质就单独由阳铝箔上的氧化铝层独自扮演了，而电解液就形成了实际的电容阴极。

电容的许多特性由这些电解液决定，故供应制造商会根据电气规格，工作温度及应用场合等配制不同的电解液以适应要求。

电解纸主要作用有：

以其毛孔存储电解液；提供阻止电气短路的足够空间；提供阴阳两铝箔所需的介电强度。

3、阴阳极铝箔：

   图一所示的阴阳铝箔面对面一边成曲线状，是为了表示这在工艺上对此两面进行了蚀刻处理以增加有效面积，从而增加了电容量。

4、电容量：

电解电容容量表达式如下：

●铝电解电容电气参数定义及特性

1电压参数

如上示意图，电解电容的电压参数主要有：

1.1额定电压（RatedvoltageUR）

额定电压指电容器的设计最大连续正常工作电压。

1.2直流电压（DCVoltageUDC）

额定电压指施加于电容器件的直流电压的平均值

1.3交流叠加电压/纹波电压（SuperimposedACVoltageUAC/ripplevoltage）

交流叠加电压又称纹波电压,指叠加于直流电压上的最大交流电压成分。

施加的DC电压及交流叠加电压（纹波电压）之和不能大于电容器的额定电压,既有关系式:

UAC+UDC≤UR。

1.4额定反向电压（RatedreversedvoltageURE）

额定反向电压指电解电容最大允许反向电压（非持续性）。

电介质（氧化铝层）单向特性（rectifyingproperties）决定了电解电容具有很小的反向耐压特性。

一般只有1V左右的容许量。

1.5浪涌电压（SurgevoltageUS）

浪涌电压指允许短时间内施加于电解电容的最大电压值。

按IEC60384-4规定，电电解电容应具有这样的浪涌电压值：

对于UR≤315V的电解电容，US=1.15XUR；对于UR315V的电解电容，＞US=1.10XUR。

浪涌电压允许持续的时间和发生的频率请参阅具体规格书目。

1.6瞬间电压（TransientvoltageUT）

有些电容能够承受得住大于浪涌电压的一个电压值，此一参数往往没能在供应商提供的公共性规格书中找到.这是由于这些特别的电容一般是根据客户提出的个性要求而特制，而非一般公售品。

2、容量值参数

2.1AC和DC容量

   电容量可由两种测试方法获得：

阻抗测量法（以相位及幅度考量）或者电量测试法（施加直流电压时其所存储的电量）.。

此两种方法的结果会有轻微的差异一般地。

直流电压测试方式得到的容量值（DC电容）会较交流方式得到的容量值（AC