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铝电解电容的进化

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  • 发布时间:2020-06-22 10:05
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【概要描述】开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机等终端设备。而铝电解电容作为开关电源中一次和二次回路滤波电路中重要的器件之一,也跟随着开关电源的进化趋势不断进化。

铝电解电容的进化

【概要描述】开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机等终端设备。而铝电解电容作为开关电源中一次和二次回路滤波电路中重要的器件之一,也跟随着开关电源的进化趋势不断进化。

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  开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机等终端设备。而铝电解电容作为开关电源中一次和二次回路滤波电路中重要的器件之一,也跟随着开关电源的进化趋势不断进化。
  现在我们来细说一下它们的“进化趋势”:
  1 大容量、小体积
  我们都知道,电解电容器大多是卷绕结构,这样一来体积变大就成了硬伤。麻烦就在于开关电源要求相同电容量的情况下有越来越小的体积。在开关电源的原边采用有源滤波器电路,则铝电解电容的使用环境变得比以前更为严酷:
  (1)高频脉冲电流主要是20 kHz~100kHz的脉动电流且大幅度增加;
  (2)变换器的主开关管发热,导致铝电解电容器的周围温度升高;
  (3)变换器多采用升压电路,因此要求耐高压的铝电解电容器。
  这样一来,利用以往技术制造的铝电解电容器, 由于要吸收比以往更大的脉动电流,不得不选择大尺寸电容器。这种选择会导致电源体积过于庞大,难以适用于小型化电子设备。为了解决这些难题,必须开发一种小体积、耐高压,且允许流过大量高频脉冲电流的新型电解电容器。另外,这种电解电容器,在高温环境下工作,工作时间还须比较长。  
  就100μF以上的中、大容量产品来说,占据价格优势的铝电解电容应用最为广泛。但近几年避免使用铝电解电容的情况正在增加。究其原因,就卡在寿命的短板上。“对于铝电解电容这种寿命有限的元件,能不用则不用”,电源模块制造厂家工程师表示,铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化,导致静电容量减少或等效串联电阻(ESR)增大,随着时间的推移,电容性能肯定会劣化。 
  事实上电解电容器的寿命与电容器长期工作的环境温度成负相关性。
  普通电解电容器在环境温度为90℃时已经损坏,但现在有很多种类的电解电容器的工作环境温度已高于90℃,通过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5时,寿命仍然为10000h,但是如果温度上升到95℃时,电解电容器即已经损坏。
  另一方面,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。一般而言比值越大则寿命越短,当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8倍时,电解电容器一般都会损坏。
  3 高频低阻抗化
  尽管开关频率有所不同,但开关电源的输出整流滤波电容器作用基本相同,主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。 
  在开关电源输出端用的滤波电容,与工频电路中选用的滤波电容并不一样,在工频电路中用作滤波的普通电解电容器,其上的脉动电压频率仅有100Hz,充放电时间是毫秒数量级,为获得较小的脉动系数,需要的电容量高达数十万微法,因而一般低频用普通铝电解电容器制造目标是以提高电容量为主,电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。
  在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器,由于大多数的开关电源工作在方波或矩形波的状态,含有丰富的高次谐波电压与电流,其上锯齿波电压的频率高达数十千赫,甚至数十兆赫,它的要求和低频应用时不同,电容量并不是主要指标,衡量它好坏的则是它的阻抗频率特性。 要使输出滤波用电容器在高频下低阻抗化,必须降低等效串联电阻。
  4 耐纹波电流
  影响电解电容器性能的最主要的参数之一就是纹波电流问题。纹波电流对铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热,进而缩短使用寿命。纹波电流在ESR上产生的损耗与纹波电流有效值的平方成正比,因而随着纹波电流的增加,小时寿命曲线类似于抛物线函数曲线。
一般而言,反激式变换器产生的开关变换电流相对最大。就平板电视为例,为了能承受大电流,需进一步降低电容的ESR。
  如果ESR小,则在有大电流流动时,电容输出电压的下降量也小。伴随着电流增大而来的降低ESR的要求,有可能成为推进电容替换进程的主要原因。相对于铝电解电容将近1Ω的ESR来说,多层陶瓷电容的ESR很小,还不到10mΩ。导电性高分子电容的ESR通常为几十mΩ,ESR比较小的则在10mΩ以下。铝电解电容也在开发ESR比较小的品,其ESR大约是一般产品的1/2~1/3。
  5 高可靠性
  作为输入滤波和平滑作用的铝电解电容器,它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效,就会导致开关稳压电源的故障。 
  开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效。
其中击穿失效又分为介质击穿和热击穿,对于大功率和大电流输出的开关电源用电解电容器,热击穿失效常占一定比例;电腐蚀导致铝引出条断裂和电容器芯子干涸,使开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的主要失效模式;漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效模式,由于使用环境及工作状态较严酷,常发生漏液失效;开关稳压电源用铝电解电容器在使用中最常见的失效模式是电容量减少、漏电流增大及损耗角

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