影響電解電容的壽命的幾個(gè)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(chǔ)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(shí)序延時(shí)等。在開(kāi)關(guān)電源的MTBF預(yù)計(jì)時(shí)，模型分析結(jié)果表明電解電容是影響開(kāi)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(jì)和應(yīng)用條件都會(huì)影響到電解電容的壽命。從設(shè)計(jì)角度，電解電容的設(shè)計(jì)方法、材料、加工工藝決定了電容的壽命和穩(wěn)定性。而對(duì)應(yīng)用者來(lái)講，使用電壓、紋波電流、開(kāi)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(huì)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(guò)高的電壓，瞬時(shí)電壓，甚高頻或反偏壓；其中溫升是對(duì)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(shí)，電解液粘度增加，因而離子移動(dòng)性和導(dǎo)電能力降低。當(dāng)電解液冷凍時(shí)，離子移動(dòng)能力非常低以致非常高的電阻。相反，過(guò)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(shí)，電容壽命也就終止了。在高寒地區(qū)（一般-25℃以下）工作時(shí)，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(guó)東北地區(qū)都配有加熱板。

電容器在過(guò)壓狀態(tài)下容易被擊穿，而實(shí)際應(yīng)用中的浪涌電壓和瞬時(shí)高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。尤其我國(guó)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(huì)加重交流輸入的正常范圍。經(jīng)測(cè)試表明，常用的450V/470uF 105℃的進(jìn)口普通2000小時(shí)電解電容，在額定電壓的1.34倍電壓下，2小時(shí)后電容會(huì)出現(xiàn)漏液冒氣，頂部沖開(kāi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，與電網(wǎng)接近的通信開(kāi)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(jí)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(jí)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(jì)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(gè)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(diǎn)傳遞到周?chē)h(huán)境的總得熱阻（Rth）。電容內(nèi)部溫度最高的點(diǎn)，叫熱點(diǎn)溫度（Th）。熱點(diǎn)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(diǎn)溫度值實(shí)際應(yīng)用中的外界溫度（環(huán)境溫度Ta），從熱點(diǎn)傳遞到周?chē)h(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(xiàn)形關(guān)系。

電容充放電時(shí)，電流在流過(guò)電阻時(shí)會(huì)引起能量損耗，電壓的變化在通過(guò)介質(zhì)時(shí)也會(huì)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(jì)商考慮因素

在非固態(tài)電解液的電容里，電介質(zhì)為陽(yáng)極鋁箔氧化層。電解液作為陰極鋁箔和陽(yáng)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(yáng)極鋁箔之間的隔離層，鋁箔通過(guò)電極引接片連接到電容的終端。

通過(guò)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(guò)采用多個(gè)電極引接片、激光焊接電極等措施實(shí)現(xiàn)。ESR值和紋波電流決定了電容的溫升。促使電容能有滿(mǎn)意的ESR值的主要措施之一是：通常用一個(gè)或多個(gè)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(mǎn)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(shuō)更長(zhǎng)的工作壽命。這樣做也有利于提高電容抗擊震動(dòng)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(kāi)路。

通過(guò)對(duì)電容芯包和鋁殼底部之間良好的機(jī)械接觸及通過(guò)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(diǎn)傳遞到周?chē)目偟脽嶙?/span>

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(diǎn)溫度。查詢(xún)電解電容的使用手冊(cè)，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(diǎn)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(shí)，可以考慮環(huán)境散熱方式、散熱強(qiáng)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(diǎn)”向周?chē)鷾囟认鄬?duì)較低的部分傳導(dǎo)。熱量傳遞的途徑有幾種：其一是通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(shí)應(yīng)注意鋁殼會(huì)因此帶負(fù)電，不能作負(fù)極連接。

電容安裝時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，否則過(guò)高的溫度會(huì)縮短電容器的使用壽命，從而使得電容器成為整個(gè)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(qiáng)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(jì)算每次諧波產(chǎn)生的功率損耗值，并將計(jì)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(xiàn)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(lèi)不同而不同。對(duì)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(shí)使用，對(duì)外特性呈感性。