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              影響電解電容壽命的因素
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              影響電解電容壽命的因素

              來源:本站 發布時間:2011/3/4 11:16:19 點擊量:

              1 引言

              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、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,過高的熱量將加速電解液蒸發,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(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,在我國東北地區都配有加熱板。

              電容器在過壓狀態下容易被擊穿,而實際應用中的浪涌電壓和瞬時高電壓是經常出現的。尤其我國幅員遼闊,各地電網復雜,因此,交流電網很復雜,經常會出現超出正常電壓的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小時后電容會出現漏液冒氣,頂部沖開。根據統計和分析,與電網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級的關系。因使用非固態電解液,電解電容的壽命還取決于電解液的蒸發速度,由此導致的電氣性能降低。這些參數包括電容的容值,漏電流和等效串聯電阻(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 (3)
                B = 參考溫度值(典型值為85 ℃)
                A = 參考溫度下的電容壽命(根據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

              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)和等效串聯電阻值(ESR)、環境溫度(Ta)、從熱點傳遞到周圍環境的總的熱阻(Rth)。電容內部溫度最高的點,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(環境溫度Ta), 從熱點傳遞到周圍環境的總的熱阻(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部溫度升高。

              3.1、設計上考慮因素

              在非固態電解液的電容里,電介質為陽極鋁箔氧化層。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,可減少電容內由紋波電流引起的內部溫升。這可通過采用多個電極引接片、激光焊接電極等措施實現。

              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受更高的紋波電流和具有較低內部溫升,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,可將電容內部熱量有效地從鋁殼底部釋放到與之聯接的底板。

                 內部熱傳導設計對于電容的穩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決定了長壽命的電解電容工作時間。當電容的電解液蒸發到一定程度,電容將最終失效(這個結果會因內部溫升而加速)。Evox Rifa公司設計的雙層密封系統可減緩電解液蒸發速度,使電容達到其最長的工作壽命。

              以上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。

              3.2、影響壽命的應用因素

              根據壽命公式,可以得出影響壽命的應用因素為:紋波電流(IRMS)、環境溫度(Ta)、從熱點傳遞到周圍環境的總的熱阻(Rth)。

              1).紋波電流

              紋波電流的大小,直接影響電解電容內部的熱點溫度。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,可以采用并聯方式解決。

              2).環境溫度(Ta)和熱阻(Rth)

              根據熱點溫度的公式,電解電容的應用環境溫度也是重要因素。在應用時,可以考慮環境散熱方式、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。熱量傳遞的途徑有幾種:其一是通過鋁箔和電解液傳導。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境的熱阻。從“熱點”傳遞到周圍環境中的總熱阻用Rth 來表示。采用夾片安裝,將電容安裝在熱阻為2℃/W的散熱片上,所得到的電容熱阻值Rth = 3.6℃/W;采用螺栓安裝方式,將電容安裝在熱阻為2℃/W散熱片上、強迫風冷速率為2m/s時,所得到的電容熱阻值Rth = 2.1℃/W。(以PEH200OO427AM型電容為例,環境周圍溫度為85℃)。

              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。同時應注意鋁殼會因此帶負電,不能作負極連接。

              電容必須正確安裝才能達到它的設計工作壽命。例如:RIFA PEH169系列和PEH200系列應該豎直向上安裝或者水平安裝。同時確保安全閥朝上,這樣熱的電解液及蒸氣才能在電容失效的情況下,從安全閥順利排出

              當電容排列很緊湊時相鄰電容間至少應留出5mm的間隔以保證適量的空氣流動。使用螺栓安裝時,螺母扭矩的控制非常重要。如果擰得太松,則電容與散熱片間就不能緊密接觸;如果擰得太緊,又可能使螺紋損壞。同時應注意電容器不應倒置安裝,否則可能造成螺栓的折斷。

              電容安裝時應盡量遠離發熱元件,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。在環境溫度較高的情況下,盡量采用強迫風冷,將電容安裝在進風口處。

              3).頻率的影響

              若電流由基頻和多次諧波構成,則須計算每次諧波產生的功率損耗值,并將計算結果相加以求得總損耗值。

              在高頻應用中,電容兩端引線應盡量短以減小等效電感。電容的諧振頻率(fR),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。

              4 結語

              綜上所述,在避免非正常失效的情況下,選擇正確的應用條件和環境,電解電容的壽命是可以保障。

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