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电解电容失效机理、寿命推算、防范质量陷阱!

  一、铝电解电容失效模式与因素概述

  铝电解电容器正极、负极引出电极和外壳都是是高纯铝,铝电解电容器的介质是在正极表面形成的三氧化二铝膜,真正的负极是电解液,工作时相当一个电解槽,只不过正极表面的阳极氧化层已经形成,不再发生电化学反应,理论上电流为零,由于电极与电解液杂质的存在,会引起微小的漏电流。从现象上看,铝电解电容器常见的失效现象与失效模式有:电解液干涸、压力释放装置动作、短路、开路(无电容量)、漏电流过大等。

2电解电容.jpg

  铝电解电容器应用环境

  如果铝电解电容器在质量上没有问题,失效问题的出现就是出现在应用环境中。铝电解电容器设计应用环境主要有:环境温度、散热方式、电压、电流参数等。对电容器的应用者而言,短路、开路属于“灾难性的失效”,或曰“致命的失效”,使其完丧失了电容器的功能。其他几类失效模式(即由第二类因素造成的失效),一般归为“劣化失效”,或曰“耗尽失效”。

  二、铝电解电容的失效机理

  耗尽失效

  耗尽失效(1)

  通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定(初始值)的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈,铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补倍杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。

  到使用后期,由于电解液挥发而减少,粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层,这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小,即阳极、阴极铝箔容量减少,引起电容量急剧下降。因此,可以认为铝电解电容器的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。

  耗尽失效(2)

  由于应用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器在工作在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过铝电解电容器,在铝电解电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。

  当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时,电阻率因粘稠度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗明显上升,损耗角增大。

  例如对于105度工作温度的电解电容器,其最大芯包温度高于125度时,电解液粘稠度骤增,电解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串联电阻会产生更大热量,造成电解液的更大挥发。如此循环往复,铝电解电容器容量急剧下降,甚至会造成爆炸。

  耗尽失效(3)

  漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加。

电解电容.jpg

  压力释放装置动作

  为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸,直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力

  释放装置,这些压力释放装置在铝电解电容器内部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作,泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作,铝电解电容器即宣告失效。

  铝电解电容器压力释放装置(中间的十字)

  电化学过程导致压力释放装置动作

  铝电解电容器的漏电流就是电化学过程,前面已经详尽论述,不再赘述。电化学过程将产生气体,这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升,最终达到压力释放装置动作泄压。

  温度过高导致压力释放装置动作

  铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高,如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境;铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。

  瞬时超温

  通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃,其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心,是电容器内部最热的点。可是,当电容器升温接近其最大允许温度时,对于大多数型号电容器在125℃时,其电解液要受到电容器芯包的排挤(driven),导致电容器的ESR增大到原来的10倍。

  在这种作用下,瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大,从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能,还要额外注意铝电解电容器的冷却。

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2018-12-24

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