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鋁電解電容的進化


 

鋁電解電容的進化

開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于各種通信設備、家用電器、計算機等終端設備。而鋁電解電容作為開關電源中一次和二次回路濾波電路中最重要的器件之一,也跟隨著開關電源的進化趨勢不斷進化。

現在我們來細說一下它們的“進化趨勢”:

1 大容量、小體積

我們都知道,電解電容器大多是卷繞結構,這樣一來體積變大就成了硬傷。麻煩就在于開關電源要求相同電容量的情況下有越來越小的體積。在開關電源的原邊采用有源濾波器電路,則鋁電解電容的使用環境變得比以前更為嚴酷:

1)高頻脈沖電流主要是20 kHz~100kHz的脈動電流且大幅度增加;

2)變換器的主開關管發熱,導致鋁電解電容器的周圍溫度升高;

3)變換器多采用升壓電路,因此要求耐高壓的鋁電解電容器。

這樣一來,利用以往技術制造的鋁電解電容器, 由于要吸收比以往更大的脈動電流,不得不選擇大尺寸電容器。這種選擇會導致電源體積過于龐大,難以適用于小型化電子設備。為了解決這些難題,必須開發一種小體積、耐高壓,且允許流過大量高頻脈沖電流的新型電解電容器。另外,這種電解電容器,在高溫環境下工作,工作壽命還須比較長。

 

2 高溫、長壽命化

100μF以上的中、大容量產品來說,占據價格優勢的鋁電解電容應用最為廣泛。但近幾年避免使用鋁電解電容的情況正在增加。究其原因,就卡在壽命的短板上?!皩τ阡X電解電容這種壽命有限的元件,能不用則不用”,電源模塊制造廠家工程師表示,鋁電解電容內部的電解液會蒸發或產生化學變化,導致靜電容量減少或等效串聯電阻(ESR)增大,隨著時間的推移,電容性能肯定會劣化。 事實上電解電容器的壽命與電容器長期工作的環境溫度成負相關性。

普通電解電容器在環境溫度為90℃時已經損壞,但現在有很多種類的電解電容器的工作環境溫度已高于90℃,通過電解電容器的交流電流和額定脈沖電流的比為0.5時,壽命仍然為10000h,但是如果溫度上升到95℃時,電解電容器即已經損壞。

另一方面,電解電容器的壽命還與電容器長時間工作的交流電流與額定脈沖電流(一般是指在85℃的環境溫度下測試值,但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時測試的數據)的比值有關。一般而言比值越大則壽命越短,當流過電解電容器的電流為額定電流的3.8倍時,電解電容器一般都會損壞。

 

3 高頻低阻抗化

盡管開關頻率有所不同,但開關電源的輸出整流濾波電容器作用基本相同,主要是通過利用濾波電容器吸收開關頻率及其高次諧波頻率的電流分量而濾除其紋波電壓分量。 

在開關電源輸出端用的濾波電容,與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣,在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器,其上的脈動電壓頻率僅有100Hz,充放電時間是毫秒數量級,為獲得較小的脈動系數,需要的電容量高達數十萬微法,因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造目標是以提高電容量為主,電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優劣的主要參數。

在開關穩壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器,由于大多數的開關電源工作在方波或矩形波的狀態,含有豐富的高次諧波電壓與電流,其上鋸齒波電壓的頻率高達數十千赫,甚至數十兆赫,它的要求和低頻應用時不同,電容量并不是主要指標,衡量它好壞的則是它的阻抗頻率特性。 要使輸出濾波用電容器在高頻下低阻抗化,必須降低等效串聯電阻。

4 耐紋波電流 

影響電解電容器性能的最主要的參數之一就是紋波電流問題。紋波電流對鋁電解電容器的影響主要是在ESR上產生功耗使鋁電解電容器發熱,進而縮短使用壽命。紋波電流在ESR上產生的損耗與紋波電流有效值的平方成正比,因而隨著紋波電流的增加,小時壽命曲線類似于拋物線函數曲線。

一般而言,反激式變換器產生的開關變換電流相對最大。就平板電視為例,為了能承受大電流,需進一步降低電容的ESR。

如果ESR小,則在有大電流流動時,電容輸出電壓的下降量也小。伴隨著電流增大而來的降低ESR的要求,有可能成為推進電容替換進程的主要原因。相對于鋁電解電容將近1Ω的ESR來說,多層陶瓷電容的ESR很小,還不到10mΩ。導電性高分子電容的ESR通常為幾十mΩ,ESR比較小的則在10mΩ以下。鋁電解電容也在開發ESR比較小的品,其ESR大約是一般產品的1/2~1/3。

5 高可靠性

作為輸入濾波和平滑作用的鋁電解電容器,它的質量和可靠性直接影響到開關電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效,就會導致開關穩壓電源的故障。 

開關穩壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數超差失效。

其中擊穿失效又分為介質擊穿和熱擊穿,對于大功率和大電流輸出的開關電源用電解電容器,熱擊穿失效常占一定比例;電腐蝕導致鋁引出條斷裂和電容器芯子干涸,使開關穩壓電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式;漏液是開關穩壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式,由于使用環境及工作狀態較嚴酷,常發生漏液失效;開關穩壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。

總結

隨著電子設備的小型化,越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL,更高耐壓性能、無鉛化,這也是電解電容器今后的發展方向。 

小型化、大容量化的電容器可以通過使用鈮、鈦等新型介電材料及結構方面的改進來達到。

 而低ESR、低ESL化可以通過新型電解質的開發優化工藝及構造來實現,同時產品將向更高的電壓方向發展。 

在發展日新月異的信息技術領域,電容器將始終是關鍵元件之一,我們將應用新技術、新材料不斷地開發出順應信息時代需求的高性能電容器。

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