铝电解电容器的工程设计

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1、铝电解电容器的工程设计 1,电解电容器的构造 腐蚀 Etching 阳极和阴极金属箔是由高纯度的，很薄的只有0.020.1mm铝箔做成的，为了增加盘面积和电容量，与电解液接触的表面积的增加是通过蚀刻金属箔去溶解铝，使整个铝箔的表面形成一个高密度的网状的有几十亿个精细微管道的结构。 化成 Forming 阳极箔上有电容器的电介质。电介质是一层很薄的铝氧化物，AL2O3，那是一个在阳极箔上的化学生长过程，这个过程叫“化成”。 这个电压是最后电容器额定电压的135%-200%。 阴极箔不用化成，它保持着很高的表面积和高密度的蚀刻模式。 氧化膜的耐电压不足和电解液自身的闪火放电都会造成短路。 卷绕 W

2、inding 电容元件的卷绕是一层隔离纸，一层阳极箔，另一层隔离纸和阴极箔。这些隔离纸防止箔之间接触形成短路，这些隔离物后来保留住电解液。 在卷绕铝箔芯子或卷绕过程中为后来连接电容器端子附上箔。最好的方法是通过冷焊，把箔焊上带子，冷焊可以减少短路失效，有更好的高纹波电流性能和放电性能。 内引出端面切口、与引出端铆接的箔条和电极箔剖面的切口都会有毛刺，从而造成相对电极间短路。 电容器发热芯包膨胀和安全阀打开时的压力冲击，芯包发生变形，导致电极间短路。 封口 Sealing 电容元件被密封在一个罐子里。 为了释放氢，密封圈不是密闭的，它经常是压力封闭的即将罐子的边沿滚进一个橡胶垫圈，一个橡胶末端插

3、销或滚进压成石碳酸薄板的橡胶。 太则紧密封会导致压力增加，太松则密封会因为电解液的可允许的流失而导致缩短寿命。2, 电容量 电容量公差 Capacitance Tolerance 电容量的公差是指可允许的电容量的最大值和最小值，用相对于额定电容量的百分数的增加和减少来表示，即C/C。 电容量的温度特性 Capacitance Temperature characteristics 电容量随温度的变化而变化。这个变化的本身很小程度上是依赖于额定电压和电容的尺寸的。 从25到限制的最高温度电容量的增加量小于5%。 大部份电容在-20至-40時,容值下降 很快 ， 对於標稱-40的產品,在-40時低

4、压的电容,电容值一般下降20%，高压电容下降40% 。 对于额定温度为-55的电容 ，在-40时电容值的下降量一般小于10%，在 -55时电容值的下降量一般小于20% 。 电容量的频率特性 Capacitance frequency characteristics 等效电容值随频率的增加而降低。根据电容量自谐振频率一般低于100kHz。 電容量和電壓關係 Capacitance vs Voltage 例如： 如果我们有一个20V 1.2F 尺寸为38.63的电容器，我想用400V 同样尺寸的电容器去代替，那我们选用的容量是 3，电压 额定DC电压 Rated DC voltage 额定直流电压

5、时标示在电容上的电压，它是包括纹波电压的最大峰值电压，这个电压可能在额定温度范围内在端子之间持续的被供给。较高额定电压的电容可能代替较低额定电压的电容所只要外形尺寸，DF和ESR的额定值是兼容的。 工作电压(working voltage)简称WV 应为标称安全值，也就是说应用电路中，不得超过此标称电压。 电解电容工作在远低于额定工作电压时，由于不能得到有效的足以维持电极跟电解液之间的退极化作用，会导致电解电容的极化而降低涟波电流，增大ESR，从而提早老化。但是这个说法的前提是“远低于额定工作电压”，综合一些长期的实践经验来看，选取额定工作电压标称值的2/3左右为正常工作电压，是比较合理的。

6、额定浪涌电压 Rated surge voltage 额定浪涌电压是最大的直流过电压，即25时时间不超过30秒偶然的间隔不少于5分钟电容可能承受的的电压。 浪涌电压的测量 Surge voltage measurement 在正常的室温下给电容通过一个100010%的电阻加上额定浪涌电压（如果电容量是2500uF或更高，则使用2500,000/C10%的电阻，C是电容单位是uF）。循环加电压1/2分钟开接着41/2分钟关，当处于关状态时，每个电容通过充电电阻或等效电阻放电。重复循环120小时。公布测试的必要条件是为了DCL,ESR,DF满足最初的条件，且没有机械损坏或电解液的泄漏的迹象。没有小

7、滴或可视的流动的电解液残留物是允许的。 瞬态过压 Transient over-voltage 铝电解电容一般能承受限制能量的非常高的瞬态过压。 超过电容浪涌电压额定值50V以上的应用将造成高的漏电流和固定电压工作模式就像齐纳二极管的反向击穿。 如果电解液不能承受电压的压力，电容可能损坏短路，但是即使电解液能承受电压的压力，这种操作模式也不能维持很长时间，因为由电容所产生的氢气和压力的积累将造成损坏。 冗余电压 铝电解电容器先充电，再放电，而后将引线短接，再将其放置一段时间后，两端子间存在电压上升的现象；由这种现象所引起的电压称之为再生电压。 当电压施加在介质之上时，在介质内部引起电子的转移，

8、从而在介质内部产生感应电场，其方向与电压的方向相反，这种现象称之为极化反应。 在施加电压引起介质极化后，如果两端子进行放电一直到端子间的电压为零，尔后将其开路放置一段时间后，一种潜在的电势将出现在两端子上，这样就引起了再生电压。再生电压在电容器开路放置10天20天时达到峰值，然后逐渐降低，再生电压有随着元件变大而增大的趋势。 如果电容器在产生再生电压后，两端子短路，瞬间高压放电可能引起组装线上的操作员工的恐惧感，并且，有可能导致一些低压驱动元件被击穿的危险，预防出现这种情况的措施是在使用前加100ohm1Kohm的电阻进行放电，或者在产品包装中用铝箔覆盖引起两端子间短路放电。 极性-反向电压

9、Polar-Reversed Voltage 在电路设计和安装时要检查每一个电容的极性。在电容上会标示极性。尽管电容能持续承受1.5V的反向电压，超过这个值就会因为过热，压力过大或介质损坏而损坏电容。这会造成相关联的开路或短路故障和电容压力释放口的破裂。 充电-放电 Charge-Discharge 铝电解电容没有被设计成可以频繁快速的充电和放电，频繁快速的充电和放电会使电容因为过热，压力过大或崩溃而损坏，随后的故障是开路或短路。 对于充电-放电的应用使用电容设计成这种应用，不要超过制造商所建议的放电速率。 电压分配 Voltage Sharing 在充电期间，每个串联电容的电压与实际的电容量

10、的倒数成正比。但是达到最终电压时，每个电容上的电压与电容的漏电流的倒数成正比。当然串联回路上所有的漏电流是相同的，趋向于更高漏电流的电容将获得比较小的电压。因为漏电流随所提供的电压的增加而增加，较低的电压会造成较高的漏电阻抗，使电压趋向相同。测试高压母线上的串联电容，供给电容多出额定电压两倍的10%的电压，在整个温度范围内显示出良好的电压分配，没有电容电压曾经超过其额定值。 电压的降额 Voltage Derating 电压的降额用百分比来表示，即给定电压小于额定电压的百分比，如一个450V的电容工作在400V将有11%的电压降额。 如用至少高于额定电压135%的化成电压和85的额定或更高温度

11、 鋁箔所制作的铝电解电容器，不需要过多的电压降额,降额可持续增加工作寿命. 在应用中，在温度小于45时工作不需要降额。 高于75，10%的降额是足够的。 对于更高的温度和高的纹波电流，15% 或20%的降额是合适的。 军事和空间的应用使用50%的电压降额。 在正常室温下，照相闪光(photoflash)电容可以在满额定电压下被使用，因为它们是为这样的职责而设计的。 至少10%的电压降额对于频闪(strobe)电容有好处，因为它们连续工作会使它们变热。4,温度 工作温度范围 Operating Temperature Range 它是环境温度范围，在这个温度下电容被设计能持续工作。 很大程度上化

12、成电压决定了高温限制值。 低温限制值很大程度上由电解液的低温电阻系数所决定。 105 等级的化成电压要高于85 。所以105 等级的电容比85 的电容具有更长的寿命 或更高的承受纹波电流的能力。5, 纹波电流 纹波电流 Ripple Current 纹波电流是流进电容的交流电流。之所以称为纹波电流是因为其所关联的依附在电容的直流偏置电压上的交流电压的行进就像水上的纹波一样。 纹波电流使电容发热，太高的温升将使电容超过它的最大可允许管芯的温度而很快损坏，但是工作于接近最大允许管芯温度将大大缩短预期的寿命。 最大可允许的纹波电流决定于多大可被允许且仍能满足电容的负载寿命指标。对于铝电解电容工作于最

13、大允许管芯温度其负载寿命指标典型值是1000到10,000小时。即六个星期到一年零七个星期，对于大多数的应用这个时间都太短了。 纹波电流的技术规格 Ripple current specification 纹波电流是由在额定温度下获得希望的温升所决定的。 通常额定温度为85的电容允许的温升是10，最大允许管芯温度是95。 通常额定温度为105的电容允许的温升是5，最大允许管芯温度是110。 纹波电流额定值通常假定电容是对流冷却，整个罐子与空气接触。0.006W/in2的对流系数是假设温升是从空气到外壳，管芯温度假设与外壳温度相同。 功率损耗等于纹波电流的平方乘以ESR , ( P=I (squ

14、are)*R) 。通常使用25，120Hz的最大的ESR，但是既然ESR随温度的增加而减少，所以可使用低于最大ESR的值去计算功率损耗。 这有一个例子，对于4700uF，450V，直径为3 inch(76mm),长为55/8 inchs(143mm) 的罐型电容，其25，120Hz最大的ESR是30m，假设你想要这种电容纹波电流额定值。罐型的面积-不包括端子末端-是60.1in2(388mm2)。热导系数是（0.006）(60.1)=0.36W/。对于10的温升，外壳可能损耗3.6W.所以对于最大的ESR是30m可允许的纹波电流是11A。（） 像这个例子里的大的罐型电容忽略了从外壳到管芯的温升

15、就会严重的夸大了纹波电流的容量。 纹波电流的温度特性 Ripple current temperature characteristics 对于工作温度小于额定温度额定纹波电流会增加。在技术指标中会显示增加量。一般增加量决定于最大管芯温度(Tc)，额定温度(Tr)和环境温度(Ta)即： 纹波温度增量=(Tc- Ta)/ (Tc- Tr)1/2 高的纹波电流会使工作寿命小于预期寿命，因为电容时间越长其ESR越大对于相同的纹波电流发热量会增加。这加速了磨损。 纹波电流的频率特性 Ripple current frequency characteristics 工作频率不是120Hz时，要校正额定纹

16、波电流。在技术指标中会显示增加量。通常增加量决定于预期随频率的变化的ESR，但是就像上面所讨论的，ESR是温度，电容量，额定电压和频率复杂的函数。所以很难产生一个精确模拟其对频率依赖的纹波-频率的增量表。对于高纹波电流的应用要确认在你感兴趣的频率下的ESR，并计算总的功率损耗。 电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流（一般是指在85的环境温度下测试值，但是有一些耐高温的电解电容器是在125时测试的数据）的比值有关。一般说来，这个比值越大，电解电容器的寿命越短，当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8倍时，电解电容器一般都已经损坏。所以，电解电容器有它的安全工作区，对于一般

17、应用，当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0倍以下时，对于寿命的要求已经满足。 实际上d的变化范围在5%20%之间，它造成纹波电流大小约是电容直流输出电流，的2-4倍。D的选择对电容器的影响很大，一个比较小的d值和高峰值的冲点线路能够产生一个比较大的纹波电流值。纹波电流和d的关系可在中看到，根据ESR和频率的关系，变换d将会导致电容的能耗，这个能耗正比于纹波电流，或正比于纹波电流的平方，或者是着两个值中的某一点。 涟波电流对于石机的滤波电路来说，是一个很重要的参数。涟波电流Irac 是愈高愈好。他的高低与工作频率相关，频率越高Irac越大，频率越低Irac越小。传统的认为我们需要在低频时能够有

18、很高的涟波电流，以求得到良好的大电流放电特性，使的低频更加结实饱满富有弹性，以及良好的控制驱动特性；实际上在高频时高的涟波电流对音色的正面帮助也很大，可以使高频有更好的延伸和减小粗糙感。 在我们现有的摩滤波电容的文章中，推荐的大部分电容都是日本货，比如说elna,红宝石,nichicon（篮精灵），当然还有日本化工等品种，由于我们一入道就接触这些电容，因此先入为主的我们就认为这些电容就是最好的电容。当然，玩胆机的朋友，眼界更为开阔，他们决不轻易使用这些日本货，而是想方设法地去寻找欧美货。根据本人这些年的实践来看，在上面的那些日本货中，除了ENLA的极少数品种和欧美品种和能有一拼外，其他的品种根

19、本不是欧美货的对手。 在胆机用滤波电容中，美国的cornell dubilier的效果不错，它的直径是35mm，高度要比日本货高一倍，但是相同耐压的RIFA电容的直径是75mm，无法安装。cornell dubilier电容的脚是2个较粗的接线柱，通过螺丝固定，而很多日本货是四个脚，直接焊接，因此在替换的时候仍然比较麻烦，我费了很大力气才把我的胆机上的四个滤波电容换好。6，等效串联電阻 ESR 等效串联电阻 Equivalent Series Resistance 等效串联电阻（ESR）是一个单一的电阻值，它代表了所有的电容的欧姆损耗与电容相串联。 用于DC/DC开关稳压电源输入滤波电容器，因

20、开关变换器是以脉冲形式向电源汲取电能，故滤波电容器中流过较大的高频电流，当电解电容器等效串联电阻（ESR）较大时，将产生较大损耗，导致电解电容器发热。而低ESR电解电容器则可明显减小纹波（特别是高频纹波）电流产生的发热. 电解电容器ESR较低，能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。 ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度都有关，ESR要求越低越好。当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低。 当容量固定时，选用高额定电压的品种可以降低 ESR。 低频时ESR高， 高频时ESR低， 高温也会使ESR上升。 ESR的测量 ESR measurement 对于铝电解电容，是在25时测试

21、在一个测量桥式电路中等效串联电路中的电阻值作为ESR的值，测量桥式电路用120Hz没有谐波含量最大AC信号电压为1Vrms没有正向偏置电压的电源来供电。 ESR的温度特性 ESR Temperature characteristics ESR随温度的的增加而降低。 从25到限制的最高温度ESR大约降低35%到50%。 但是在限制的最低温度时ESR的增加超过10倍。 对于额定温度为-20或-40的电容，在-40时ESR的增加超过100倍。 ESR的频率特性 ESR Frequency characteristics 像DF一样，ESR随频率而变化。重写一次上面DF的公式，ESR可由下面的公式来模

22、拟： ESR=10,000(DFif) /2fC +ESRhf 用ESR来表示，在低频时ESR随着频率的增加稳定的下降， 关电源的体积不断缩小，能量转换效率不断提高，使得开关电源的工作频率不断提高（从20kHz到500kHz，甚至达到1MHz以上），导致其输出部分的高频噪声加大，为了有效滤波，必须使用超低高频阻抗或低等效串联电阻（ESR）的电容器。 D.3 损耗因数- Dissipation Factor（DF） Tan& （损耗角正切） 在等效电路中，等效串联电阻ESR同容抗1/wC 之比称为 Tan& ，其测量条件与电容量相同。 Tan&=R（ESR）/（1/ wC）= wC R（ESR）

23、 其中：R（ESR）= ESR（120HZ） w =2 X 3.14 f F= 120Hz Tan& 随着测量频率的增加而变大，随着测量温度的下降而增大。 损耗因数是测量损耗角的正切值并用百分数来表示。损耗因数也是ESR同容性电抗的比值，因此与ESR有关，用公式表示： DF=2fC(ESR)/10,000 DF是用百分数表示的没有单位的数值，测试频率f的单位是Hz，电容量C的单位是Uf，ESR的单位是。 DF的测试 DF measurement DF的测试是在25用120Hz没有谐波含量最大AC信号电压为1Vrms没有偏置电压的电源来供电下完成的。DF的值与温度和频率有关。 DF的温度特性 D

24、F Temperature characteristics 损耗因数随温度的升高而降低。从25到最高温度限制值时DF大约降低50%，但是在最低温度限制值时，DF增加超过10倍。额定温度为-55的更好的器件的DF值在-40时增加量不到5倍。 DF的频率特性 DF Frequency characteristics、 损耗因数在高频时随频率的变化而变化。DF用以下的公式来模拟： DF=DFif+2fC(ESRhf)/10,000 DF是用百分数来表示的总的损耗因数，DFif是用百分数来表示的低频的损耗因数，ESRhf是高频时的ESR单位，f是测试频率单位Hz，C是测试频率下的电容量单位uF。DFi

25、f是由功率损失所造成的，功率损失是由在铝氧化介质的分子排列方向的电场所产生的。ESRhf是由在薄膜，连接器和电解液/隔离物垫上的阻性损耗所造成的。电解液/隔离物垫上的电阻值经常起主导作用，它的电阻值随频率变化很小。DFif的范围大约是从1.5%到3%。ESRhf的范围是从0.002到10，随温度而降低。 上面DF的公式表明DF在低频时是个常数，在交越频率处跨越到降低的DF和固定的ESR,交越频率与电容量成反比。因此高电容量的电容其交越频率就低。随着频率的增加高电容量的电容比低电容量的电容DF降低的更多。 DF值是高还是低，与温度、容量、电压、频率都有关系； 当容量相同时，耐压愈高,DF值就愈低

26、。 频率愈高,DF值愈高， 温度愈高, DF值也愈高。 DF 值一般不标注在电容器上或规格介绍上面。在DIY选取电容时，可优先考虑选取更高耐压的，比如工作电压为45V时，选用50V的就不很合理。尽管使用50V的从承受电压正常工作方 面并无不妥，但从DF值方面考虑就欠缺一些。使用63V或71V耐压的会有更好的表现的。当然 再高了性价比上就不合算了。 含浸 Impregnation 电容器元件注入电解液，浸透纸隔离物并且渗透到蚀刻管道里。注入的方法可能会涉及到器件的浸入和真空压力周期的应用不管使用或不使用加热，或者在小单元情况下仅仅是简单的吸收。电解液是根据电压和工作温度范围用不同的公式表示的成分

27、的复杂混合物。其基本的成分是具有可溶性和可导电性的盐-一种溶解物-以产生电的传导。普通的溶剂是乙烯乙二醇（EG）, 二甲基的甲酰胺(DFM)和微克丁内酯（GBL）。普通的溶解物是铵硼酸盐和其它的铵盐。EG典型应用于额定值为-20或-40的电容。DFM和GBL经常应用于额定值为-55的电容。 在电解液里水起很大的作用。水增加了导电性因此减少了电容的阻抗。但是它降低了沸点因而妨碍了高温性能，减少了贮藏寿命。占几个百分点的水是必要的，因为电解液要维持铝氧化物电介质的完整性。当漏电流流动时，水被分解为氢和氧，氧被附着在阳极金属薄片上通过增加更多的氧来复原漏电流地点。氢通过电容的密封橡胶溢出。7，漏电流

28、 DCL漏电流 DC Leakage Current（DCL） DC漏电流是指在给定的额定电压下流过电容的直流电流值。漏电流的值依赖于给定的电压，充电周期和电容的温度。 电容器的介质对直流电具有很大的阻碍作用. 由于铝氧化膜介质上浸有电解液,在施加电压时,重新形成以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流, 刚施加电压时,漏电流较大,随着时间的延长,漏电流会逐渐减小并最终保持稳定. 测试温度和电压对漏电留具有很大的影响。 漏电流会随着温度和电压的升高而增大 DCL的测试方法 DCL Method of measurement 漏电流的测量是在25的温度下，提供额定电压并通过1000

29、的保护电阻同测量电路中的电容相串联。加电压5分钟以后，漏电流没有超过规格所给定的最大值。 铝电解电容都存在漏电的情况，这是物理结构所决定的。 漏电流当然是越小越好。 电容器容量愈高，漏电流就愈大。 降低工作电压可降低漏电流。 选用更高耐压的品种也会有助于减小漏电流。 相同条件下优先选取高耐压品种的确是一个简便可行的好方法；降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。真是好处多多，唯价格上会高一些。 而漏电流值大小的控制是电容器三个参数中的重点,漏电流值大小是判断电容器质量的一个重要标志。 影响铝电解电容漏电流值的主要因素有 ： （1）所 用 原 材 料 的 纯 度 情 况 ， 包 括 正 极 箔 的 含 杂 质 情 况 ， 负 极 箔 纯 度 、 去 离 子 水 的 纯 度 ， 电 解 纸 的 杂 质 含 量 以 及 其 它 结 构 材 料 、 密 封 材 料 等 等 。 （2）工作电 解 液 的 成 分 、 粘 度 、 P H 值 、 比 电 阻 。 （3）工 作 和 贮存 环 境 的 影 响 。 （4）电 容 器 生 产 的 环 境 和 制 造 工 艺 的 控 制 ， 特 别 是 老 炼 工 艺 ， 电 容 器 内 部 氧 化 膜 的 修 补 过 程 等 。