電解電容的基本原理/結(jié)構(gòu)/主要參數(shù)/電路應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、電解電容的基本原理和結(jié)構(gòu)

我們最初學(xué)習(xí)電容器的原理的對(duì)象基本都是平板電容器，在兩個(gè)平板之間放入電介質(zhì)，這就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單一個(gè)電容器。 并且有 平板式電容計(jì)算公式：C=ε ε0 S/d; 式中：電容C，單位F； ε 相對(duì)介電常數(shù)； ε0真空介電常數(shù)8.86×10（-12方）單位F/m； 面積S，單位平方米； 極板間距d，單位米。 根據(jù)公式，可以看出：如果需要增加電容器的容量，在電介質(zhì)不變的情況下，需要增加平板的面積，縮小平板之間的間距。 電解電容在結(jié)構(gòu)上就是將平板電容器卷起來以獲得足夠大的容量，市面上鋁電解電容產(chǎn)品的容量一般在0.47uF~10000uF。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

平板電容器模型電介質(zhì)一般都采用固態(tài)電介質(zhì)，依靠電荷的極化來儲(chǔ)存能量，電解電容內(nèi)含有液態(tài)電解液。 離子是導(dǎo)電的，因此需要一個(gè)絕緣的隔膜進(jìn)行“絕緣處理”。 這就是陽極的化成處理，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為將Al的表面進(jìn)行氧化處理，獲得不導(dǎo)電的Al2O3。 這個(gè)陽極氧化層的厚度決定了電容的耐壓并且充當(dāng)電容器的電介質(zhì)。 而陰極不做處理，只自然氧化形成很薄的Al2O3，可以認(rèn)為和純鋁沒有區(qū)別。 陰極氧化層的耐壓非常低，常溫下大約在1~1.5V，因此鋁電解電容禁止反接電壓。

如圖1-1、1-2所示，陽極和陰極中間夾著浸滿電解液的隔離紙。 卷成圓柱狀后通過鋁殼封裝，并在鋁殼上方壓制出防爆閥，用于失效時(shí)反應(yīng)氣體的排放。

圖1-1 電解電容疊層

圖1-2 電解電容外殼封裝

1.2 電容的充放電與自修復(fù)反應(yīng)

如圖1-3，當(dāng)陽極加正電壓，陰極加負(fù)電壓，陽極中金屬Al的電子被拉到陽極，靠近氧化層的Al失去電子形成Al3+離子。 中間的氧化層Al2O3不導(dǎo)電，因此O2-離子無法進(jìn)入陽極和Al3+離子發(fā)生氧化反應(yīng)。 正離子沿著電場(chǎng)的方面，負(fù)離子逆著電場(chǎng)的方面移動(dòng)。 正離子集中在陽極，負(fù)離子集中在陰極，形成電荷能的存儲(chǔ)。 當(dāng)電場(chǎng)消失，正負(fù)離子恢復(fù)到原始位置，電場(chǎng)能量被釋放。

鋁電解電容有一個(gè)有趣的自修復(fù)功能：如果電容的氧化層老化，絕緣耐壓變低，電解電容能夠通過自身的電解液反應(yīng)重新將氧化層進(jìn)行修復(fù)。 如圖1-4所示，在電場(chǎng)的作用下，缺失的氧化層通過陽極的Al3+離子和O2-離子的氧化反應(yīng)生成新的Al2O3氧化層。 需要注意的是，這種修復(fù)反應(yīng)不能太劇烈，如果電壓過高，擊穿氧化層，產(chǎn)生大量的氧化還原反應(yīng)，會(huì)釋放出大量的H2氣體，從而引起電容爆炸。

同樣的，陰極也存在氧化層（自然形成），這個(gè)氧化層非常脆弱，很小的反向電壓就能擊穿。 擊穿后的“陰極”（加上了正電壓），發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，“陽極”氧化層附近發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生H2，引發(fā)爆炸。

圖 1-3 電解電容中電荷的移動(dòng)

圖 1-4 自修復(fù)反應(yīng)

2、電解電容的主要參數(shù)

2.1 電解電容的耐壓

電解電容的耐壓受到氧化層厚度的影響，如果電壓過高會(huì)擊穿氧化層：電解液將和陽極鋁發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極則會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，最終引起電容“爆漿”。 一般選擇電容的耐壓需要大于最高母線電壓的1.25倍。

2.2 電解電容的容量

電解電容的容量影響電容的提供脈動(dòng)電流的能力，在功率電路中需要電容容量滿足功率輸出。 由于電解電容較大的ESR，常常需要多個(gè)電容進(jìn)行并聯(lián)使用，使用的容量會(huì)遠(yuǎn)大于計(jì)算需要的容量。

2.3 電解電容的溫度和壽命計(jì)算

電容的溫度和壽命有最直接的關(guān)系，因?yàn)殇X電容的電解液會(huì)逐漸揮發(fā)而導(dǎo)致電容減小甚至失效，隨溫度升高揮發(fā)速度加快。 溫度每升高10℃，電解電容的壽命會(huì)減半。

2.4 電解電容的耐紋波電流、電壓以及ESR

電解電容的耐紋波電流是根據(jù)電容的自發(fā)熱和散熱能力進(jìn)行界定的，ESR越大的電容，相同紋波電流下?lián)p耗越大。 損耗一方面影響電路的轉(zhuǎn)化效率，另外一方面也加大了電容的損耗，引起電容內(nèi)部溫度的升高。

2.5 封裝和尺寸

電解電容的尺寸較大，在大功率能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，需要綜合考慮電容的尺寸和散熱，以及和整機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

3、電路應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 損耗角和ESR計(jì)算

電解電容在充放電的過程中，由于電荷在運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦?xí)嬖谝欢ǖ哪芰繐p失，這個(gè)被電容內(nèi)部消耗的能量通常采用損耗角進(jìn)行標(biāo)注。 如圖3-1所示，理想條件下，電容電流應(yīng)該超前電壓90°，損耗角的存在導(dǎo)致電流的超前角（π/2-δ）減小了。 如果將電容的阻抗分量分解為電阻分量R和容抗分量Xc，那么他們之間存在一個(gè)夾角δ，這角度δ和阻抗的角度是一致的（忽略等效電感ESL）。 如圖3-2，可以計(jì)算出tanδ=R/Xc=2πfCR（式3-1）。

圖 3-1 電容電流電壓角度關(guān)系

圖 3-2 電容損耗角

這里我們將損耗等效在一個(gè)電阻上，如圖3-3等效電阻特性曲線。 這個(gè)電阻一般由三個(gè)部分組成：1、氧化層的絕緣損耗，主要由于極化過程中的遲滯損耗，隨著頻率的增加而減?。?2、電解液的內(nèi)阻，受溫度和頻率影響較大； 3、電解電容內(nèi)部金屬導(dǎo)體等效電阻（引線，鋁箔），該部分電阻和金屬電阻特性一致。 一般在電解電容的規(guī)格書給出的是在120Hz測(cè)試獲得的損耗角（圖3-4），在實(shí)際的開關(guān)電源或者逆變系統(tǒng)中開關(guān)頻率較高（>10KHz）,需要按照式3-1計(jì)算出在該頻率條件下的等效ESR。

圖 3-3 ESR 分量組成

圖 3-4 某電容ESR規(guī)格

3.2 阻抗特性

如圖3-5，電解電容除了電容和等效電阻ESR，還有等效電感ESR，主要由其金屬箔和引線組成。 隨著頻率的升高，電容的特性就“短路”了，感抗分量開始上升，阻抗特性曲線如圖3-6。 在進(jìn)行功率電容計(jì)算中，一般可以忽略ESL，因?yàn)楣拯c(diǎn)頻率一般都很高（5~10MHz），功率譜在該頻率點(diǎn)衰減已經(jīng)十分小了。 但是，在電容應(yīng)用的濾波電路中，這個(gè)寄生參數(shù)的ESL就顯得很重要，尤其是在高頻電子線路應(yīng)用中，這里就不展開了，感興趣可以參考文獻(xiàn)3。

圖3-5 電解電容等效電路

圖3-6 電解電容阻抗特性

3.3 紋波電流

紋波電流和ESR的關(guān)系非常密切，同時(shí)紋波電流能夠在ESR上引起電容的自發(fā)熱，如果發(fā)熱嚴(yán)重還會(huì)影響到電容的使用壽命。 頻率升高，ESR下降，紋波電流就越容易流過，所以規(guī)格書一般會(huì)給出rated ripple 和 頻率修正系數(shù)，如圖3-7 所示：

圖3-7 紋波電流頻率修正系數(shù)

3.4 壽命評(píng)估

影響到電解電容的壽命最主要的因素是其電解液的壽命，隨著時(shí)間增加，電解液會(huì)蒸發(fā)，并且溫度越高蒸發(fā)的速度越快。 隨著電解液的蒸發(fā)，電容的容量減小，損耗角增加。 圖3-8 所示，鋁電解電容的劣化故障（電解液蒸發(fā)）和故障率之間的關(guān)系。 圖3-9 所示，電解液對(duì)電容特性的影響。

圖3-8 鋁電解電容的劣化故障

圖3-9 特性劣化和電解液量關(guān)系

溫度每升高10℃，電解電容的壽命會(huì)減半，圖3-10 公式所示：Tmax，L0是規(guī)格書給出的預(yù)估壽命和溫度條件，Ta是電容實(shí)際的工作溫度。 一般規(guī)格書中，會(huì)給出105℃條件下的壽命（2000hours），根據(jù)這個(gè)基準(zhǔn)結(jié)合電容環(huán)境溫度和電容自熱溫度進(jìn)行壽命評(píng)估。

圖3-10 電解電容壽命隨溫度計(jì)算公式

3.5 電容應(yīng)用的一般指標(biāo)

下面列舉了一些電解電容應(yīng)用過程中常用的降額參數(shù)，可供大家在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行參考。

額定電壓：選擇電壓大于最大母線電壓的1.25倍

電容容量：系統(tǒng)額定工況下，母線電壓波動(dòng)不超過±5%，進(jìn)行容量計(jì)算

紋波電流：系統(tǒng)額定工況下，紋波電流不超過額定值的85%

自熱溫度：一般要求不超過5℃

電容壽命：根據(jù)系統(tǒng)壽命要求進(jìn)行評(píng)估