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影響電解電容壽命的因及對(duì)策

電解電容廣泛應(yīng)用在電力電子的不同領(lǐng)域,主要是用于平滑、儲(chǔ)存能量或者交流電壓整流后的濾波,另外還用于非精密的時(shí)序延時(shí)等。在開關(guān)電源的MTBF預(yù)計(jì)時(shí),模型分析結(jié)果表明電解電容是影響開關(guān)電源壽命的主要因素,因此了解、影響電容壽命的因素非常重要。
  電解電容的壽命取決于其內(nèi)部溫度。因此,電解電容的設(shè)計(jì)和應(yīng)用條件都會(huì)影響到電解電容的壽命。從設(shè)計(jì)角度,電解電容的設(shè)計(jì)方法、材料、加工工藝決定了電容的壽命和穩(wěn)定性。而對(duì)應(yīng)用者來講,使用電壓、紋波電流、開關(guān)頻率、安裝形式、散熱方式等都影響電解電容的壽命。
2 電解電容的非正常失效
  一些因素會(huì)引起電解電容失效,如極低的溫度,電容溫升(焊接溫度,環(huán)境溫度,交流紋波),過高的電壓,瞬時(shí)電壓,甚高頻或反偏壓;其中溫升是對(duì)電解電容工作壽命(Lop)影響最大的因素。
  電容的導(dǎo)電能力由電解液的電離能力和粘度決定。當(dāng)溫度降低時(shí),電解液粘度增加,因而離子移動(dòng)性和導(dǎo)電能力降低。當(dāng)電解液冷凍時(shí),離子移動(dòng)能力非常低以致非常高的電阻。相反,過高的熱量將加速電解液蒸發(fā),當(dāng)電解液的量減少到一定極限時(shí),電容壽命也就終止了。在高寒地區(qū)(一般-25℃以下)工作時(shí),就需要進(jìn)行加熱,保證電解電容的正常工作溫度。如室外型UPS,在我國(guó)東北地區(qū)都配有加熱板。
  電容器在過壓狀態(tài)下容易被擊穿,而實(shí)際應(yīng)用中的浪涌電壓和瞬時(shí)高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。尤其我國(guó)幅員遼闊,各地電網(wǎng)復(fù)雜,因此,交流電網(wǎng)很復(fù)雜,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超出正常電壓的30%,尤其是單相輸入,相偏會(huì)加重交流輸入的正常范圍。經(jīng)測(cè)試表明,常用的450V/470uF 105℃的進(jìn)口普通2000小時(shí)電解電容,在額定電壓的1.34倍電壓下,2小時(shí)后電容會(huì)出現(xiàn)漏液冒氣,頂部沖開。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,與電網(wǎng)接近的通信開關(guān)電源PFC輸出電解電容的失效,主要是由于電網(wǎng)浪涌和高壓損壞。電解電容的電壓選擇一般進(jìn)行二級(jí)降額,降到額定值的80%使用較為合理。
3 壽命影響因素分析
  除了非正常的失效,電解電容的壽命與溫度有指數(shù)級(jí)的關(guān)系。因使用非固態(tài)電解液,電解電容的壽命還取決于電解液的蒸發(fā)速度,由此導(dǎo)致的電氣性能降低。這些參數(shù)包括電容的容值,漏電流和等效串聯(lián)電阻(ESR)。
  參考RIFA公司預(yù)計(jì)壽命的公式:
  PLOSS = (IRMS)²x ESR (1)
  Th = Ta + PLOSS x Rth  (2)
  Lop = A x 2  Hours?。?)
  B = 參考溫度值(典型值為85 ℃)
  A = 參考溫度下的電容壽命(根據(jù)電容器直徑的不同而變化)
  C = 導(dǎo)致電容壽命減少一半所需的溫升度數(shù)
  從上面的公式中,我們可以明顯的看到,影響電解電容壽命的幾個(gè)直接因素:紋波電流(IRMS)和等效串聯(lián)電阻值(ESR)、環(huán)境溫度(Ta)、從熱點(diǎn)傳遞到周圍環(huán)境的總的熱阻(Rth)。電容內(nèi)部溫度最高的點(diǎn),叫熱點(diǎn)溫度(Th)。熱點(diǎn)溫度值是影響電容工作壽命的主要因素。而下列因素又決定了熱點(diǎn)溫度值實(shí)際應(yīng)用中的外界溫度(環(huán)境溫度Ta), 從熱點(diǎn)傳遞到周圍環(huán)境的總的熱阻(Rth)和由交流電流引起的能量損耗(PLOSS)。電容的內(nèi)部溫升與能量損耗成線形關(guān)系。
  電容充放電時(shí),電流在流過電阻時(shí)會(huì)引起能量損耗,電壓的變化在通過電介質(zhì)時(shí)也會(huì)引起能量損耗,再加上漏電流造成的能量損耗,所有的這些損耗導(dǎo)致的結(jié)果是電容內(nèi)部溫度升高。
3.1、設(shè)計(jì)上考慮因素
  在非固態(tài)電解液的電容里,電介質(zhì)為陽極鋁箔氧化層。電解液作為陰極鋁箔和陽極鋁箔氧化層之間的電接觸。吸收電解液的紙介層成為陰極鋁箔與陽極鋁箔之間的隔離層,鋁箔通過電極引接片連接到電容的終端。

 

  · 通過降低ESR值,可減少電容內(nèi)由紋波電流引起的內(nèi)部溫升。這可通過采用多個(gè)電極引接片、激光焊接電極等措施實(shí)現(xiàn)。
  ESR值和紋波電流決定了電容的溫升。促使電容能有滿意的ESR值的主要措施之一是:通常用一個(gè)或多個(gè)金屬電極引接片連接外部電極和芯包,降低芯包和引腳之間的阻抗。芯包上的電極引接片越多,電容的ESR值越低。借助于激光焊接技術(shù),可在芯包上加上更多的電極引接片,因此使電容能達(dá)到較低的ESR值。這也意味著電容能經(jīng)受更高的紋波電流和具有較低內(nèi)部溫升,也就是說更長(zhǎng)的工作壽命。這樣做也有利于提高電容抗擊震動(dòng)的能力,否則有可能導(dǎo)致內(nèi)部短路、高的漏電流、容值損失、ESR值的上升和電路開路。
  · 通過對(duì)電容芯包和鋁殼底部之間良好的機(jī)械接觸及通過芯包中間的熱沉,可將電容內(nèi)部熱量有效地從鋁殼底部釋放到與之聯(lián)接的底板。