450V大容量焊片式鋁電解電容器的開發(fā)及 電性能改進研究

0   引言

鋁電解電容器的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1 和圖2 所示，主要包含由陽極箔、陰極箔、電解紙和電解液組成的芯子，及用引線條將芯子和蓋板連接，再封裝入鋁殼。

有關(guān)新型電容器開發(fā)的文章可以參考^{[1]和[2]；[3]}對電容器的設(shè)計和工藝進行控制；^[4] 是用于逆變器的鋁電解電容器的改進的SPICE 模型，文章對電容器的ESR，阻抗等性能進行了表述；^[5]和[6] 均介紹了改進大容量鋁電解電容器散熱方面的進展；預(yù)估鋁電解電容器的ESR 性能在文章^[7] 中采用Sinosoidal PWM 方法；^[8]~[11] 等一系列文章都對鋁電解電容器的壽命測試進行了評價，或者提出了預(yù)估壽命的模式。

一直以來，高電壓、大容量的鋁電解電容器的開發(fā)難度都比低電壓、小容量的電容器要大。像SMD( 片式)、引線式的鋁電解電容器都屬于低電壓、小容量的電容器產(chǎn)品，直流壽命、紋波壽命試驗往往能承受較高的溫度。有些在溫度為125 ℃的直流壽命試驗?zāi)芙?jīng)受住8 000 h 甚至是10 000 h 以上的時間。而隨著鋁電解電容器額定電壓的升高，其陽極箔的化成電壓也要提高得更多，相應(yīng)的比容就下降，而比容的下降就意味著相同容量下的電容器體積增加，這給生產(chǎn)工藝、測試都帶來了難度。^[12]同時要選用合適的電解紙以保證良好的吸收率和絕緣性能。電解液的配置也要保證能滿足高電壓下良好的導(dǎo)電性能。而另一方面為保證高電壓下的電化學(xué)穩(wěn)定性，所有的原材料包括陽極箔、陰極箔、電解紙、電解液^[13]、蓋板、鋁殼，在制作電容器前都要檢測雜質(zhì)的含量，特別是氯離子、金屬離子、硫酸根離子的含量，因為即使有很少量雜質(zhì)的引入，都會使鋁電解電容器在使用過程中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，最明顯的表現(xiàn)是在引線條處發(fā)生腐蝕，從而使電性能失效。

1   新產(chǎn)品的設(shè)計考量

1.1 新設(shè)計的產(chǎn)品要達到的要求

新設(shè)計的產(chǎn)品預(yù)期達到的性能見表1。

表1 試驗產(chǎn)品基本性能

1.2 等效串聯(lián)電阻ESR的影響因素及公式

等效串聯(lián)電阻指等效串聯(lián)電路的電阻分量。ESR 值取決于頻率和溫度，并與損耗角正切有關(guān)，相關(guān)公式如下：

ESR = 等效串聯(lián)電阻

Tan& = 損耗角正切

Cs = 串聯(lián)電容量

ESR 除了與損耗角正切和串聯(lián)電容量有關(guān)外，電容器內(nèi)部的設(shè)計也有著直接的影響。采用多對引線條會比單引線條的ESR 值低許多，另外，選用不同的陽極箔、電解液、電解紙的配合，也能明顯降低ESR。

2   產(chǎn)品設(shè)計特點

2.1 露陰極結(jié)構(gòu)

首先我們來討論一下紋波電流的計算公式，及450 V、2 500 μF 電容器估算出來的紋波電流值：

這里頻率f 取120 Hz；散熱系數(shù)取2×10-3；面積S取DH≈ 157 cm²；溫升△ t 取5 ℃損耗角；Tan& 取0.03；紋波電流I 計算得9.93 A。

因此得到所設(shè)計的電容器在120 Hz 下，在預(yù)計溫升在5 ℃以內(nèi)時，能承受的紋波在9.93 A。當(dāng)然，如果需要滿足更大的紋波電流值，可以將電容器內(nèi)部的芯子結(jié)構(gòu)改成露陰極結(jié)構(gòu), 這樣由于芯子底部露出來的陰極能直接接觸到鋁殼的底部，使正常工作的鋁電解電容器由于芯子發(fā)熱產(chǎn)生的熱量一部分能通過陰極傳導(dǎo)到鋁殼，從而達到散熱的目的?；蛘卟捎枚鄬σ€條結(jié)構(gòu)，這樣可以降低ESR，使芯子降低了由于內(nèi)部電阻發(fā)熱產(chǎn)生的熱量。或者采用較好的電解紙、陽極箔、電解液等材料，使其提高能承受的溫升范圍。

2.2 三對引線條

為增加陽極箔、陰極箔到引出端的接觸面積，我們也對電容器采用兩對引線條和三對引線條分別作了比較。試驗證明采用三對引線條的電容器的ESR 和損耗角正切均比兩對引線條的電容器要低。這使得三對引線條的電容器的直流壽命和紋波壽命產(chǎn)生的溫升比較低，對產(chǎn)品的壽命是有益的。

2.3 芯子填充率的計算

要判斷所設(shè)計的電容器的芯子的體積有多大，及適用什么樣外徑和殼號的電容器，需要計算芯子的填充率。以下公式是芯子填充率的公式。

l 為陽極箔開片長度

陽極箔比容Ca 取0.5 μF/cm²

陰極箔比容Cc 取100 μF/cm²

陽極箔寬度W 取9.5 cm

由此可計算開片長度為528.9 cm。

Dw 為芯子直徑

陽極箔厚度da 取0.011 cm

陰極箔厚度dc 取0.002 cm

電解紙1 厚度dp₁ 取0.002 cm

電解紙厚度dp₂ 取0.005 cm

由此可計算出芯子直徑為4.27 cm。

鋁殼直徑D_鋁取5.0 cm

由此，可計算出芯子填充率為73%。

當(dāng)芯子的填充率≥ 1 時，表明芯子外徑大于鋁殼的內(nèi)徑，芯子就無法裝入鋁殼內(nèi)部。當(dāng)芯子的填充率遠小于1 時，表明芯子外徑比鋁殼的內(nèi)徑小很多，這樣也不好，使得內(nèi)部有大量的空間浪費掉了。所以需要選擇合適的陽極箔、陰極箔和電解紙，控制芯子的填充率在合適的范圍內(nèi)。

2.4 不同電解紙與電解液配合的引入

在容量不變的條件下，在鋁電解電容器的設(shè)計過程中，選用吸水性好、低ESR 的電解紙，選用高導(dǎo)電率的電解液，都可以明顯降低電容器的損耗角正切，從而降低ESR 值。本次試驗中涉及的電解紙有四種不同的設(shè)計方案，電解液采用了兩種不同的設(shè)計方案。由以下比較均可以看出不同的原材料對電容器的ESR 值都有影響。

2.5 加厚的鋁殼與蓋板能承受更高的內(nèi)部壓力

在鋁電解電容器的所有測試項目中，紋波壽命或者直流壽命是檢測電容器性能好壞的重要項目之一，也是電容器最容易失效的測試項目之一。而電容器主要的失效表現(xiàn)有內(nèi)部發(fā)生腐蝕，爆炸，蓋板漏液，蓋板裂，鋁殼漏液，鋁殼防爆閥開啟等。

所以在鋁電解電容器的設(shè)計中，合理地選擇鋁殼的防爆閥壓力、鋁殼的厚度、蓋板的材質(zhì)、蓋板的厚度，都可以從一定程度上減少由鋁殼，蓋板引起的失效。

3   結(jié)語

3.1 競爭者與自行設(shè)計的兩款內(nèi)阻ESR和阻抗Z的不同溫度不同頻率比較圖

圖3 和圖4 所示是競爭者與我司自行設(shè)計的兩款產(chǎn)品在120 HZ 頻率下不同溫度下的ESR 和阻抗值比較，由圖可以看出我司設(shè)計開發(fā)的電容器產(chǎn)品的ESR 和Z性能均與競爭者的產(chǎn)品相似。

圖5 和圖6 所示是測試的電容器在不同頻率和不同溫度下的ESR 值和阻抗值的比較，可以看出電容器的ESR 值與溫度的增加成反比關(guān)系，與頻率的增加也成反比關(guān)系。而阻抗Z 與溫度的增加和頻率的增加也成反比關(guān)系。

值得一提的是，隨著頻率的繼續(xù)增加，當(dāng)頻率達到10⁵ 到10⁸ 以上時，阻抗會隨著頻率的增加而增加。如圖7 所示是某一特定容量和電壓的阻抗與頻率，溫度的關(guān)系曲線如圖7 所示。

3.2 2對和3對引線條的ESR在不同頻率的比較

圖8 的設(shè)計3 和設(shè)計4 是電容器分別采用2 對引線條和3 對引線條在20 ℃下和不同頻率下測得到ESR 的比較?？梢钥闯霎?dāng)引線條的對數(shù)增加，使引線條與鋁箔間的接觸面積增大，也進一步減少了接觸電阻，所以產(chǎn)品的ESR 是逐漸降低的。

3.3 四種設(shè)計的直流壽命試驗，及前兩種的紋波壽命試驗比較

圖9、10、11、12 是四種設(shè)計(2 種電解液，2 種電解紙)的電容器在95 ℃直流壽命試驗的結(jié)果，并根據(jù)測試結(jié)果制作的容量、損耗、ESR 和漏電的比較圖。試驗每隔1 000 h 記錄一次數(shù)據(jù)，直到3 000 h。由圖可以看出，設(shè)計5 和設(shè)計6 的損耗角正切和ESR 值在試驗前后都很穩(wěn)定，均能很好地滿足產(chǎn)品的性能要求，ESR 初始值都在20 mΩ 左右，特別是設(shè)計6，在經(jīng)過3 000 h、95 ℃直流壽命試驗后，ESR 值仍然維持在40 mΩ 左右。

圖13、14、15、16 是采用兩種不同電解液設(shè)計的電容器進行的85 ℃紋波壽命的試驗結(jié)果，并根據(jù)試驗結(jié)果制作的容量、損耗、ESR 和漏電流的比較圖。試驗每隔500 h 記錄一次數(shù)據(jù)，直到3 000 h。由圖可以看出設(shè)計5 的各項電性能參數(shù)要明顯好于設(shè)計6，例如設(shè)計5 的容量變化要比設(shè)計6 穩(wěn)定，設(shè)計5 的損耗角正切和ESR 值均明顯比設(shè)計6 要低。

3.4 不同電解紙的浪涌比較

表2 是原材料采用兩種不同電解紙設(shè)計分別進行浪涌試驗后的電性能參數(shù)的比較。由表2 可以看出，在經(jīng)過了1.1 倍的額定電壓充放電1 000 次后，容量、損耗角正切和漏電流的變化均不明顯，電性能數(shù)值仍能滿足初始時設(shè)定的要求。

3.5 灌密封膠與不灌密封膠的振動試驗比較

表3 是在芯子裝到鋁殼后封口前，分別采用灌密封膠與不灌密封膠的電容器產(chǎn)品做振動試驗的電性能參數(shù)的比較。由表3 可以看出灌密封膠的產(chǎn)品穩(wěn)定性比較好，能經(jīng)受住頻率范圍10~55 Hz，振幅0.75 mm，持續(xù)時間6 h 的測試。而未灌注密封膠的產(chǎn)品在振動試驗全部都失效。這也是為什么當(dāng)制作高電壓和大容量的鋁電解電容器時，為了使大體積的電容器滿足振動的要求，需要在封口前對鋁殼內(nèi)灌注密封膠起固定作用。像大體積的螺釘電容器均采用灌密封膠的工藝。

表3 有與沒有密封膠的振動測試

4   結(jié)語

由試驗結(jié)果可以看出，針對高壓大容量的鋁電解電容器的開發(fā)，^[14] 從設(shè)計上考慮為了滿足大紋波電流的應(yīng)用要求，可以增大陽極箔的接觸面積，將芯子結(jié)構(gòu)做成露陰極的以增加散熱。為了降低電容器的ESR，可以考慮增加引線條的對數(shù)，采用低ESR 值的電解紙，采用合適的電解液。并將我司開發(fā)的低ESR 電容器與競爭者分別進行了ESR 和阻抗在不同頻率、不同溫度下的比較。

在95 ℃、3 000 h 直流壽命測試，和85 ℃、3 000 h紋波壽命測試中，采用初始值具有較低ESR 和損耗角正切的設(shè)計制作出來的產(chǎn)品，在試驗中產(chǎn)生的溫升也就相應(yīng)降低，這在一定程度上延長了電容器的壽命。3 000 h壽命試驗后的產(chǎn)品的電性能都表現(xiàn)良好。最后測試了電容器的浪涌和振動，發(fā)現(xiàn)灌密封膠對于穩(wěn)定鋁殼內(nèi)的芯子有很直接的影響，灌密封膠的產(chǎn)品均能通過振動試驗。浪涌試驗都合格，且不同的電解紙對浪涌的影響不大。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）