影響電解電容的壽命的幾個因素

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序延時等。在開關(guān)電源的MTBF預(yù)計時，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。

1.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)計和應(yīng)用條件都會影響到電解電容的壽命。從設(shè)計角度，電解電容的設(shè)計方法、材料、加工工藝決定了電容的壽命和穩(wěn)定性。而對應(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，瞬時電壓，甚高頻或反偏壓；其中溫升是對電解電容工作壽命影響最大的因素。

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，電解液粘度增加，因而離子移動性和導(dǎo)電能力降低。當(dāng)電解液冷凍時，離子移動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，電容壽命也就終止了。在高寒地區(qū)（一般-25℃以下）工作時，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，而實際應(yīng)用中的浪涌電壓和瞬時高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。尤其我國幅員遼闊，各地電網(wǎng)復(fù)雜，因此，交流電網(wǎng)很復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)超出正常電壓的30%，尤其是單相輸入，相偏會加重交流輸入的正常范圍。經(jīng)測試表明，常用的450V/470uF 105℃的進(jìn)口普通2000小時電解電容，在額定電壓的1.34倍電壓下，2小時后電容會出現(xiàn)漏液冒氣，頂部沖開。根據(jù)統(tǒng)計和分析，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。鋁電解電容的電壓選擇一般進(jìn)行二級降額，降到額定值得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，因此導(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)計壽命的公式：

PLOSS=(IRMS)²×ESR

Th=Ta+PLOSS×Rth

LOP=A×2  Hours

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直接因素：紋波電流（IRMS）和等效串聯(lián)電阻（ESR）、環(huán)境溫度（Ta）、從熱點傳遞到周圍環(huán)境的總得熱阻（Rth）。電容內(nèi)部溫度最高的點，叫熱點溫度（Th）。熱點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溫度值實際應(yīng)用中的外界溫度（環(huán)境溫度Ta），從熱點傳遞到周圍環(huán)境的總得熱阻（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，電流在流過電阻時會引起能量損耗，電壓的變化在通過介質(zhì)時也會引起能量損耗，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。

1）設(shè)計商考慮因素

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。這可通過采用多個電極引接片、激光焊接電極等措施實現(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：通常用一個或多個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)，可再芯包上加上更多的電極引接片，因此使電容能有滿意的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，也就是說更長的工作壽命。這樣做也有利于提高電容抗擊震動的能力，否則有可能導(dǎo)致內(nèi)部短路、高的漏電流、容值損失、ESR值得上升和電路開路。

通過對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連接的地板。

2）影響壽命的應(yīng)用因素

根據(jù)壽命公式，可以得出影響壽命的應(yīng)用因素為：紋波電流、環(huán)境溫度、熱點傳遞到周圍的總得熱阻

①　紋波電流  

紋波電流的大小，直接影響電解電容內(nèi)部的熱點溫度。查詢電解電容的使用手冊，就可以得到紋波電流的允許范圍。如果超出范圍，可以采用并聯(lián)方式解決。

②　環(huán)境溫度和熱阻

根據(jù)熱點溫度的公式，鋁電解電容的應(yīng)用環(huán)境溫度也是重要因素。在應(yīng)用時，可以考慮環(huán)境散熱方式、散熱強度、電解電容與熱源的距離、電解電容的安裝方式等。

電容器內(nèi)部的熱量，總是從溫度最高的“熱點”向周圍溫度相對較低的部分傳導(dǎo)。熱量傳遞的途徑有幾種：其一是通過鋁箔和電解液傳導(dǎo)。如果電容被安裝在散熱片上，一部分熱量還將通過散熱片傳遞到環(huán)境中。不同的安裝方式和間距和散熱方式都將影響電容到環(huán)境的熱阻。另外將延長的陰極鋁箔與電容器鋁殼直接接觸，也是很好的降低熱阻的方法。同時應(yīng)注意鋁殼會因此帶負(fù)電，不能作負(fù)極連接。

電容安裝時應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，否則過高的溫度會縮短電容器的使用壽命，從而使得電容器成為整個電路中壽命最短的部件。在環(huán)境溫度較高的情況下，盡量采用強迫風(fēng)冷，將電容安裝在進(jìn)風(fēng)處。

③　頻率的影響

若電流由基頻和多次諧波構(gòu)成，則須計算每次諧波產(chǎn)生的功率損耗值，并將計算結(jié)果相加以求得總損耗值。在高頻應(yīng)用中，電容兩端引線應(yīng)盡量短以減小等效電感。

電容的諧振頻率，因電容器種類不同而不同。對于焊片式和螺栓連接式鋁電解電容，諧振頻率在1.5KHz至150KHz之間。如果電容器在高于諧振頻率時使用，對外特性呈感性。