450V大容量焊片式鋁電解電容器的開發(fā)及 電性能改進研究

0   引言

鋁電解電容器的基本結構和內部結構分別如圖1 和圖2 所示，主要包含由陽極箔、陰極箔、電解紙和電解液組成的芯子，及用引線條將芯子和蓋板連接，再封裝入鋁殼。

有關新型電容器開發(fā)的文章可以參考^{[1]和[2]；[3]}對電容器的設計和工藝進行控制；^[4] 是用于逆變器的鋁電解電容器的改進的SPICE 模型，文章對電容器的ESR，阻抗等性能進行了表述；^[5]和[6] 均介紹了改進大容量鋁電解電容器散熱方面的進展；預估鋁電解電容器的ESR 性能在文章^[7] 中采用Sinosoidal PWM 方法；^[8]~[11] 等一系列文章都對鋁電解電容器的壽命測試進行了評價，或者提出了預估壽命的模式。

一直以來，高電壓、大容量的鋁電解電容器的開發(fā)難度都比低電壓、小容量的電容器要大。像SMD( 片式)、引線式的鋁電解電容器都屬于低電壓、小容量的電容器產品，直流壽命、紋波壽命試驗往往能承受較高的溫度。有些在溫度為125 ℃的直流壽命試驗能經受住8 000 h 甚至是10 000 h 以上的時間。而隨著鋁電解電容器額定電壓的升高，其陽極箔的化成電壓也要提高得更多，相應的比容就下降，而比容的下降就意味著相同容量下的電容器體積增加，這給生產工藝、測試都帶來了難度。^[12]同時要選用合適的電解紙以保證良好的吸收率和絕緣性能。電解液的配置也要保證能滿足高電壓下良好的導電性能。而另一方面為保證高電壓下的電化學穩(wěn)定性，所有的原材料包括陽極箔、陰極箔、電解紙、電解液^[13]、蓋板、鋁殼，在制作電容器前都要檢測雜質的含量，特別是氯離子、金屬離子、硫酸根離子的含量，因為即使有很少量雜質的引入，都會使鋁電解電容器在使用過程中發(fā)生電化學腐蝕，最明顯的表現是在引線條處發(fā)生腐蝕，從而使電性能失效。

1   新產品的設計考量

1.1 新設計的產品要達到的要求

新設計的產品預期達到的性能見表1。

表1 試驗產品基本性能

1.2 等效串聯電阻ESR的影響因素及公式

等效串聯電阻指等效串聯電路的電阻分量。ESR 值取決于頻率和溫度，并與損耗角正切有關，相關公式如下：

ESR = 等效串聯電阻

Tan& = 損耗角正切

Cs = 串聯電容量

ESR 除了與損耗角正切和串聯電容量有關外，電容器內部的設計也有著直接的影響。采用多對引線條會比單引線條的ESR 值低許多，另外，選用不同的陽極箔、電解液、電解紙的配合，也能明顯降低ESR。

2   產品設計特點

2.1 露陰極結構

首先我們來討論一下紋波電流的計算公式，及450 V、2 500 μF 電容器估算出來的紋波電流值：

這里頻率f 取120 Hz；散熱系數取2×10-3；面積S取DH≈ 157 cm²；溫升△ t 取5 ℃損耗角；Tan& 取0.03；紋波電流I 計算得9.93 A。

因此得到所設計的電容器在120 Hz 下，在預計溫升在5 ℃以內時，能承受的紋波在9.93 A。當然，如果需要滿足更大的紋波電流值，可以將電容器內部的芯子結構改成露陰極結構, 這樣由于芯子底部露出來的陰極能直接接觸到鋁殼的底部，使正常工作的鋁電解電容器由于芯子發(fā)熱產生的熱量一部分能通過陰極傳導到鋁殼，從而達到散熱的目的。或者采用多對引線條結構，這樣可以降低ESR，使芯子降低了由于內部電阻發(fā)熱產生的熱量。或者采用較好的電解紙、陽極箔、電解液等材料，使其提高能承受的溫升范圍。

2.2 三對引線條

為增加陽極箔、陰極箔到引出端的接觸面積，我們也對電容器采用兩對引線條和三對引線條分別作了比較。試驗證明采用三對引線條的電容器的ESR 和損耗角正切均比兩對引線條的電容器要低。這使得三對引線條的電容器的直流壽命和紋波壽命產生的溫升比較低，對產品的壽命是有益的。

2.3 芯子填充率的計算

要判斷所設計的電容器的芯子的體積有多大，及適用什么樣外徑和殼號的電容器，需要計算芯子的填充率。以下公式是芯子填充率的公式。

l 為陽極箔開片長度

陽極箔比容Ca 取0.5 μF/cm²

陰極箔比容Cc 取100 μF/cm²

陽極箔寬度W 取9.5 cm

由此可計算開片長度為528.9 cm。

Dw 為芯子直徑

陽極箔厚度da 取0.011 cm

陰極箔厚度dc 取0.002 cm

電解紙1 厚度dp₁ 取0.002 cm

電解紙厚度dp₂ 取0.005 cm

由此可計算出芯子直徑為4.27 cm。

鋁殼直徑D_鋁取5.0 cm

由此，可計算出芯子填充率為73%。

當芯子的填充率≥ 1 時，表明芯子外徑大于鋁殼的內徑，芯子就無法裝入鋁殼內部。當芯子的填充率遠小于1 時，表明芯子外徑比鋁殼的內徑小很多，這樣也不好，使得內部有大量的空間浪費掉了。所以需要選擇合適的陽極箔、陰極箔和電解紙，控制芯子的填充率在合適的范圍內。

2.4 不同電解紙與電解液配合的引入

在容量不變的條件下，在鋁電解電容器的設計過程中，選用吸水性好、低ESR 的電解紙，選用高導電率的電解液，都可以明顯降低電容器的損耗角正切，從而降低ESR 值。本次試驗中涉及的電解紙有四種不同的設計方案，電解液采用了兩種不同的設計方案。由以下比較均可以看出不同的原材料對電容器的ESR 值都有影響。

2.5 加厚的鋁殼與蓋板能承受更高的內部壓力

在鋁電解電容器的所有測試項目中，紋波壽命或者直流壽命是檢測電容器性能好壞的重要項目之一，也是電容器最容易失效的測試項目之一。而電容器主要的失效表現有內部發(fā)生腐蝕，爆炸，蓋板漏液，蓋板裂，鋁殼漏液，鋁殼防爆閥開啟等。

所以在鋁電解電容器的設計中，合理地選擇鋁殼的防爆閥壓力、鋁殼的厚度、蓋板的材質、蓋板的厚度，都可以從一定程度上減少由鋁殼，蓋板引起的失效。

3   結語

3.1 競爭者與自行設計的兩款內阻ESR和阻抗Z的不同溫度不同頻率比較圖

圖3 和圖4 所示是競爭者與我司自行設計的兩款產品在120 HZ 頻率下不同溫度下的ESR 和阻抗值比較，由圖可以看出我司設計開發(fā)的電容器產品的ESR 和Z性能均與競爭者的產品相似。

圖5 和圖6 所示是測試的電容器在不同頻率和不同溫度下的ESR 值和阻抗值的比較，可以看出電容器的ESR 值與溫度的增加成反比關系，與頻率的增加也成反比關系。而阻抗Z 與溫度的增加和頻率的增加也成反比關系。

值得一提的是，隨著頻率的繼續(xù)增加，當頻率達到10⁵ 到10⁸ 以上時，阻抗會隨著頻率的增加而增加。如圖7 所示是某一特定容量和電壓的阻抗與頻率，溫度的關系曲線如圖7 所示。

3.2 2對和3對引線條的ESR在不同頻率的比較

圖8 的設計3 和設計4 是電容器分別采用2 對引線條和3 對引線條在20 ℃下和不同頻率下測得到ESR 的比較?？梢钥闯霎斠€條的對數增加，使引線條與鋁箔間的接觸面積增大，也進一步減少了接觸電阻，所以產品的ESR 是逐漸降低的。

3.3 四種設計的直流壽命試驗，及前兩種的紋波壽命試驗比較

圖9、10、11、12 是四種設計(2 種電解液，2 種電解紙)的電容器在95 ℃直流壽命試驗的結果，并根據測試結果制作的容量、損耗、ESR 和漏電的比較圖。試驗每隔1 000 h 記錄一次數據，直到3 000 h。由圖可以看出，設計5 和設計6 的損耗角正切和ESR 值在試驗前后都很穩(wěn)定，均能很好地滿足產品的性能要求，ESR 初始值都在20 mΩ 左右，特別是設計6，在經過3 000 h、95 ℃直流壽命試驗后，ESR 值仍然維持在40 mΩ 左右。

圖13、14、15、16 是采用兩種不同電解液設計的電容器進行的85 ℃紋波壽命的試驗結果，并根據試驗結果制作的容量、損耗、ESR 和漏電流的比較圖。試驗每隔500 h 記錄一次數據，直到3 000 h。由圖可以看出設計5 的各項電性能參數要明顯好于設計6，例如設計5 的容量變化要比設計6 穩(wěn)定，設計5 的損耗角正切和ESR 值均明顯比設計6 要低。

3.4 不同電解紙的浪涌比較

表2 是原材料采用兩種不同電解紙設計分別進行浪涌試驗后的電性能參數的比較。由表2 可以看出，在經過了1.1 倍的額定電壓充放電1 000 次后，容量、損耗角正切和漏電流的變化均不明顯，電性能數值仍能滿足初始時設定的要求。

3.5 灌密封膠與不灌密封膠的振動試驗比較

表3 是在芯子裝到鋁殼后封口前，分別采用灌密封膠與不灌密封膠的電容器產品做振動試驗的電性能參數的比較。由表3 可以看出灌密封膠的產品穩(wěn)定性比較好，能經受住頻率范圍10~55 Hz，振幅0.75 mm，持續(xù)時間6 h 的測試。而未灌注密封膠的產品在振動試驗全部都失效。這也是為什么當制作高電壓和大容量的鋁電解電容器時，為了使大體積的電容器滿足振動的要求，需要在封口前對鋁殼內灌注密封膠起固定作用。像大體積的螺釘電容器均采用灌密封膠的工藝。

表3 有與沒有密封膠的振動測試

4   結語

由試驗結果可以看出，針對高壓大容量的鋁電解電容器的開發(fā)，^[14] 從設計上考慮為了滿足大紋波電流的應用要求，可以增大陽極箔的接觸面積，將芯子結構做成露陰極的以增加散熱。為了降低電容器的ESR，可以考慮增加引線條的對數，采用低ESR 值的電解紙，采用合適的電解液。并將我司開發(fā)的低ESR 電容器與競爭者分別進行了ESR 和阻抗在不同頻率、不同溫度下的比較。

在95 ℃、3 000 h 直流壽命測試，和85 ℃、3 000 h紋波壽命測試中，采用初始值具有較低ESR 和損耗角正切的設計制作出來的產品，在試驗中產生的溫升也就相應降低，這在一定程度上延長了電容器的壽命。3 000 h壽命試驗后的產品的電性能都表現良好。最后測試了電容器的浪涌和振動，發(fā)現灌密封膠對于穩(wěn)定鋁殼內的芯子有很直接的影響，灌密封膠的產品均能通過振動試驗。浪涌試驗都合格，且不同的電解紙對浪涌的影響不大。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年1月期）