電解電容的失效原因和壽命計(jì)算方法
信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2021-12-14
電解電容的失效原因和壽命計(jì)算方法
電解電容在LED電源,調(diào)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(yīng)用環(huán)境的原因,成為最脆弱的一環(huán)。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(zhì)量上沒有問題,失效問題的出現(xiàn)就是出現(xiàn)在應(yīng)用環(huán)境中。電解電容設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境主要有:環(huán)境溫度、散熱方式、電壓、電流參數(shù)等。
對(duì)電容器的應(yīng)用者而言,短路、開路屬于“災(zāi)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(fù)極引出電極和外殼都是是高純鋁,電解電容的介質(zhì)是在正極表面形成的三氧化二鋁膜,真正的負(fù)極是電解液,工作時(shí)相當(dāng)一個(gè)電解槽,只不過正極表面的陽(yáng)極氧化層已經(jīng)形成,不再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),理論上電流為零,由于電極與電解液雜質(zhì)的存在,會(huì)引起微小的漏電流。從現(xiàn)象上看,電解電容常見的失效現(xiàn)象與失效模式有:電解液干涸、壓力釋放裝置動(dòng)作、短路、開路(無電容量)、漏電流過大等。
二、電解電容的失效機(jī)理
耗盡失效
(1)高溫環(huán)境或發(fā)熱導(dǎo)致點(diǎn)解電容壽命的終了
通常電解電容器壽命的終了評(píng)判依據(jù)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(fù)荷過程中工作電解液不斷修補(bǔ)倍雜質(zhì)損傷的陽(yáng)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(fā)而減少,粘稠度增大的電解液就難于充分接觸經(jīng)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(yáng)極、陰極鋁箔容量減少,引起電容量急劇下降。因此,可以認(rèn)為電解電容的容量降低是由于電解液揮發(fā)造成。而造成電解液的揮發(fā)的最主要的原因就是高溫環(huán)境或發(fā)熱。
(2)電解電容的ESR產(chǎn)生損耗并轉(zhuǎn)變成熱使其發(fā)熱。
理論上,一個(gè)完美的電容,自身不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失,但是實(shí)際上,因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧嫌须娮?電容的絕緣介質(zhì)有損耗,各種原因?qū)е码娙葑兊貌煌昝?。這個(gè)損耗在外部,表現(xiàn)為就像一個(gè)電阻跟電容串連在一起,所以就起了個(gè)名字叫做等效串聯(lián)電阻。
ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。
比如,我們認(rèn)為電容上面電壓不能突變,當(dāng)突然對(duì)電容施加一個(gè)電流,電容因?yàn)樽陨沓潆?電壓會(huì)從0開始上升。但是有了ESR,電阻自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降,這就導(dǎo)致了電容器兩端的電壓會(huì)產(chǎn)生突變。無疑的,這會(huì)降低電容的濾波效果,所以很多高質(zhì)量的電源都使用低ESR的電容器。由于應(yīng)用條件使電解電容發(fā)熱的原因是電解電容在工作在整流濾波(包括開關(guān)電源輸出的高頻整流濾波)、功率電爐的電源旁路時(shí)的紋波(或稱脈動(dòng))電流流過電解電容,在電解電容的ESR產(chǎn)生損耗并轉(zhuǎn)變成熱使其發(fā)熱。
當(dāng)電解電容電解液蒸發(fā)較多、溶液變稠時(shí),電阻率因粘稠度增大而上升,使工作電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大,導(dǎo)致電容器損耗明顯上升,損耗角增大。例如對(duì)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(shí),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(lián)電阻會(huì)產(chǎn)生更大熱量,造成電解液的更大揮發(fā)。如此循環(huán)往復(fù),電解電容容量急劇下降,甚至?xí)斐杀ā?br />
(3)漏電流增加往往導(dǎo)致電解電容失效。應(yīng)用電壓過高和溫度過高都會(huì)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(qū)別)
為了防止電解電容中電解液由于內(nèi)部高溫沸騰的氣體或電化學(xué)過程而產(chǎn)生的氣體而引起內(nèi)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(shè)置了壓力釋放裝置,這些壓力釋放裝置在電解電容內(nèi)部的氣壓達(dá)到尚未使電解電容爆炸的危險(xiǎn)壓力前動(dòng)作,泄放出氣體。隨著電解電容的壓力釋放裝置的動(dòng)作,電解電容即宣告失效。
電解電容溫度過高的第二個(gè)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(chǎn)生過度的損耗而產(chǎn)生過度的發(fā)熱使電解液沸騰產(chǎn)生大量氣體使電解電容內(nèi)部壓力及急劇升高時(shí)壓力釋放裝置動(dòng)作。
a.瞬時(shí)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(gè)核心大致位于電容器的中心,是電容器內(nèi)部最熱的點(diǎn)?？墒?當(dāng)電容器升溫接近其最大允許溫度時(shí),對(duì)于大多數(shù)型號(hào)電容器在125℃時(shí),其電解液要受到電容器芯包的排擠(driven),導(dǎo)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(yīng)用中特別要警惕瞬時(shí)超溫發(fā)生的可能,還要額外注意電解電容的冷卻。
b.瞬時(shí)過電壓的產(chǎn)生
上電過程中,由于濾波電感釋放儲(chǔ)能到濾波電容器中,導(dǎo)致濾波電容器的過瞬時(shí)過電壓。
上電過電壓示意
電容過電壓失效的對(duì)應(yīng)預(yù)防措施
電容器在過壓狀態(tài)下容易被擊穿,而實(shí)際應(yīng)用中的瞬時(shí)高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)選擇承受瞬時(shí)過電壓性能好的電解電容,20YPower科技在設(shè)計(jì)調(diào)光電源等電源時(shí)選擇優(yōu)質(zhì)的電解電容的同時(shí),設(shè)計(jì)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(fā)
電解液的揮發(fā)速度隨溫度的升高
電解液的揮發(fā)速度與電容器的密封質(zhì)量有關(guān),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(xué)效應(yīng)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(shí)漏電流僅僅是85℃時(shí)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(shí)間就是電解電容壽命的因素之一:溫度
a.根據(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)艙:140～150℃
影響電解電容壽命的的因素(額定壽命小時(shí)數(shù))
b.按壽命小時(shí)數(shù)電解電容可以分為:
一般用途(常溫,3年以內(nèi)):5000小時(shí)
一般用途(常溫,希望比較長(zhǎng)的時(shí)間):10000小時(shí)以上
工業(yè)級(jí):更長(zhǎng)的壽命小時(shí)數(shù)
電解液干涸的時(shí)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(zhì)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(yīng)用條件)有以下這幾點(diǎn):
?★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(jì)算。
其中,L和L0分別為:實(shí)際環(huán)境溫度T時(shí)的壽命和額定最高溫度T0時(shí)的壽命。可以看到,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(chǔ),電解電容均應(yīng)在盡量低的環(huán)境溫度下為好。例如常見的rubycon YXJ系列電解電容,105℃/10000;
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