影響電解電容的使用壽命因素分析
影響電解電容的使用壽命因素分析
電解電容廣泛應用在電力電子的不同領域，主要是用于平滑、電解電容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。在開關電源的MTBF預計時，模型分析結果表明電解電容是影響開關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。
電解電容的壽命取決于其內(nèi)部溫度。因此，電解電容的設計和應用條件都會影響到電解電容的壽命。從設計角度，電解電容的設計方法、材料、加工工藝決定了電容的壽命和穩(wěn)定性。而對應用者來講，使用電壓、紋波電流、開關頻率、安裝形式、散熱方式等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(Lop)影響最大的因素。
電容的導電能力由電解液的電離能力和粘度決定。當溫度降低時，電解液粘度增加，因而離子移動性和導電能力降低。當電解液冷凍時，離子移動能力非常低以致非常高的電阻。相反，電解電容過高的熱量將加速電解液蒸發(fā)，當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，電解電容而實際應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)復雜，因此，交流電網(wǎng)很復雜，經(jīng)常會出現(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。電解電容的電壓選擇一般進行二級降額，降到額定值的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，由此導致的電氣性能降低。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公司預計壽命的公式：
PLOSS = (IRMS)²x ESR （1）
Th = Ta + PLOSS x Rth （2）
Lop = A x 2 Hours?。?）
B = 參考溫度值（典型值為85 ℃）
A = 參考溫度下的電容壽命（根據(jù)電容器直徑的不同而變化）
C = 導致電容壽命減少一半所需的溫升度數(shù)
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)電阻值（ESR）、環(huán)境溫度（Ta）、從熱點傳遞到周圍環(huán)境的總的熱阻（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)境的總的熱阻（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，電壓的變化在通過電介質(zhì)時也會引起能量損耗，再加上漏電流造成的能量損耗，所有的這些損耗導致的結果是電容內(nèi)部溫度升高。
3.1、設計上考慮因素
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，可在芯包上加上更多的電極引接片，因此使電容能達到較低的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，否則有可能導致內(nèi)部短路、高的漏電流、容值損失、ESR值的上升和電路開路。
· 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聯(lián)接的底板。
內(nèi)部熱傳導設計對于電容的穩(wěn)定性和工作壽命極其重要。在Evox Rifa公司的設計中，負極鋁箔被延長到可直接接觸電容鋁殼厚的底部。這底部就成為芯包的散熱片，以使熱點的熱量能釋放。如選用帶螺栓安裝方式，安全地將電容安裝到底板上（通常為鋁板），可得到更為全面的具有較低熱阻（Rth.）的熱傳導解決方案。
· 通過采用整體繞注有電極的酚醛塑料蓋和雙重的特制的封墊與鋁殼緊密咬合，可大大減少電解液的損失。
電解液通過密封墊的蒸發(fā)決定了長壽命的電解電容工作時間。電解電容當電容的電解液蒸發(fā)到一定程度，電容將最終失效（這個結果會因內(nèi)部溫升而加速）。Evox Rifa公司設計的雙層密封系統(tǒng)可減緩電解液蒸發(fā)速度，使電容達到其最長的工作壽命。
以上電解電容這些特性保證了電容在要求的領域中具有很長的工作壽命。
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