電解電容的失效原因和壽命計算方法

　　電解電容在LED電源,調光電源等電源適配器中是不可替代的元器件!在這些電源中由于應用環境的原因,成為最脆弱的一環。所以電解電容的壽命基本是電源的壽命。

　　如果電解電容在質量上沒有問題,失效問題的出現就是出現在應用環境中。電解電容設計應用環境主要有:環境溫度、散熱方式、電壓、電流參數等。

　　對電容器的應用者而言,短路、開路屬于“災難性的失效”,或者說是:“致命的失效”,使其完全完喪失了電容器的功能。其他幾類失效模式(即由第二類因素造成的失效),一般歸為“劣化失效”, 或者說是“耗盡失效”。

　　一、電解電容失效模式與因素概述

　　電解電容正極、負極引出電極和外殼都是是高純鋁,電解電容的介質是在正極表面形成的三氧化二鋁膜,真正的負極是電解液,工作時相當一個電解槽,只不過正極表面的陽極氧化層已經形成,不再發生電化學反應,理論上電流為零,由于電極與電解液雜質的存在,會引起微小的漏電流。從現象上看,電解電容常見的失效現象與失效模式有:電解液干涸、壓力釋放裝置動作、短路、開路(無電容量)、漏電流過大等。

　　二、電解電容的失效機理

　　耗盡失效

　　(1)高溫環境或發熱導致點解電容壽命的終了

　　通常電解電容器壽命的終了評判依據是電容量下降到額定(初始值)的80%以下。由于早期電解電容的電解液充盈,電解電容的電容量在工作早期緩慢下降。隨著負荷過程中工作電解液不斷修補倍雜質損傷的陽極氧化膜所致電解液逐漸減少。到使用后期,由于電解液揮發而減少,粘稠度增大的電解液就難于充分接觸經腐蝕處理的粗糙的鋁箔表面上的氧化膜層,這樣就使電解電容的極板有效面積減小,即陽極、陰極鋁箔容量減少,引起電容量急劇下降。因此,可以認為電解電容的容量降低是由于電解液揮發造成。而造成電解液的揮發的最主要的原因就是高溫環境或發熱。

　　(2)電解電容的ESR產生損耗并轉變成熱使其發熱。

　　理論上,一個完美的電容,自身不會產生任何能量損失,但是實際上,因為制造電容的材料有電阻,電容的絕緣介質有損耗,各種原因導致電容變得不完美。這個損耗在外部,表現為就像一個電阻跟電容串連在一起,所以就起了個名字叫做等效串聯電阻。

　　ESR的出現導致電容的行為背離了原始的定義。

　　比如,我們認為電容上面電壓不能突變,當突然對電容施加一個電流,電容因為自身充電,電壓會從0開始上升。但是有了ESR,電阻自身會產生一個壓降,這就導致了電容器兩端的電壓會產生突變。無疑的,這會降低電容的濾波效果,所以很多高質量的電源都使用低ESR的電容器。由于應用條件使電解電容發熱的原因是電解電容在工作在整流濾波(包括開關電源輸出的高頻整流濾波)、功率電爐的電源旁路時的紋波(或稱脈動)電流流過電解電容,在電解電容的ESR產生損耗并轉變成熱使其發熱。

　　當電解電容電解液蒸發較多、溶液變稠時,電阻率因粘稠度增大而上升,使工作電解質的等效串聯電阻增大,導致電容器損耗明顯上升,損耗角增大。例如對于105度工作溫度的電解電容器,其最大芯包溫度高于125度時,電解液粘稠度驟增,電解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串聯電阻會產生更大熱量,造成電解液的更大揮發。如此循環往復,電解電容容量急劇下降,甚至會造成爆炸。

　　(3)漏電流增加往往導致電解電容失效。應用電壓過高和溫度過高都會引起漏電流的增加

　　電解電容壓力釋放裝置(頂部的K或者十,不同的廠家略有區別)

　　為了防止電解電容中電解液由于內部高溫沸騰的氣體或電化學過程而產生的氣體而引起內部高氣壓造成電解電容的爆炸。為了消除電解電容的爆炸,電解電容均設置了壓力釋放裝置,這些壓力釋放裝置在電解電容內部的氣壓達到尚未使電解電容爆炸的危險壓力前動作,泄放出氣體。隨著電解電容的壓力釋放裝置的動作,電解電容即宣告失效。

　　電解電容溫度過高的第二個原因是芯包溫度過高。電解電容芯包溫度過高的根本原因是電解電容流過過高的紋波電流。過高的紋波電流在電解電容的ESR中產生過度的損耗而產生過度的發熱使電解液沸騰產生大量氣體使電解電容內部壓力及急劇升高時壓力釋放裝置動作。

　　a.瞬時超溫

　　通常電解電容的芯包核心溫度每降低10℃,其壽命將增大到原來的一倍。這個核心大致位于電容器的中心,是電容器內部最熱的點?？墒?當電容器升溫接近其最大允許溫度時,對于大多數型號電容器在125℃時,其電解液要受到電容器芯包的排擠(driven),導致電容器的ESR增大到原來的10倍。在這種作用下,瞬間超溫或過電流可以使ESR永久性的增大,從而造成電容器失效。在高溫和大紋波電流的應用中特別要警惕瞬時超溫發生的可能,還要額外注意電解電容的冷卻。

　　b.瞬時過電壓的產生

　　上電過程中,由于濾波電感釋放儲能到濾波電容器中,導致濾波電容器的過瞬時過電壓。

　　上電過電壓示意

　　電容過電壓失效的對應預防措施

　　電容器在過壓狀態下容易被擊穿,而實際應用中的瞬時高電壓是經常出現的。

　　產品設計時選擇承受瞬時過電壓性能好的電解電容,20YPower科技在設計調光電源等電源時選擇優質的電解電容的同時,設計使用比要求電壓還高的電解電容。

　　電解液干涸是電解電容失效的最主要原因:電解液干涸

　　1.電解液自然揮發

　　電解液的揮發速度隨溫度的升高

　　電解液的揮發速度與電容器的密封質量有關,無論在高溫還是在低溫條件下都要有良好的密封性

　　2.電解液的消耗

　　漏電流所引起的電化學效應消耗電解液

　　電解電容的壽命隨漏電流增加而減少

　　漏電流隨溫度的升高而增加:25℃時漏電流僅僅是85℃時漏電流的不到十分之一漏電流隨施加電壓升高而增加:耐壓為400V的電解電容在額定電壓下的漏電流大約是90%額定電壓下的漏電流的5倍。

　　電解液干涸的時間就是電解電容壽命的因素之一:溫度

　　a.根據電解電容的電解液的不同,電解電容的最高工作溫度可分為:

　　一般用途:85℃

　　一般高溫用途:105℃

　　特殊高溫用途:125℃

　　汽車發動機艙:140～150℃

　　影響電解電容壽命的的因素(額定壽命小時數)

　　b.按壽命小時數電解電容可以分為:

　　一般用途(常溫,3年以內):5000小時

　　一般用途(常溫,希望比較長的時間):10000小時以上

　　工業級:更長的壽命小時數

　　電解液干涸的時間就是電解電容壽命的因素之二:電解液

　　電解液的多與寡決定電解電容的壽命外,電解液質量也很重要,所以為什么很多電源廠選擇3con的電解電容的原因;

　　所以總的來說,影響電解電容壽命的的因素(應用條件)有以下這幾點:

　　?★高溫縮短電解電容壽命

　　?★高紋波電流縮短電解電容壽命

　　?★工作電壓過高縮短電解電容壽命

　　三、電解電容壽命電容推算方法

　　在額定電壓下,電解電容的壽命可以由以下公式計算。

　　其中,L和L0分別為:實際環境溫度T時的壽命和額定最高溫度T0時的壽命?？梢钥吹?電解電容的使用壽命隨溫度下降每10℃,壽命增加一倍,即所謂10℃法則。因此,無論是使用還是存儲,電解電容均應在盡量低的環境溫度下為好。例如常見的rubycon YXJ系列電解電容,105℃/10000;