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电解电容寿命,你关心的都在这!

2025-05-12 来源: YIQIFUWU宜器服务网 阅读量 :

电解电容在各类电源及电子产品中是不可替代的元器件,这些电子产品中由于应用环境的原因,使它成为最脆弱的一环,所以,电解电容的寿命也直接影响了电子产品的使用寿命。


01
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。

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如果电解电容在质量上没有问题,失效问题的出现就是出现在应用环境中。电解电容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”,或者说是:“致命的失效”,使其完全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”, 或者说是“耗尽失效”。

02
电解电容的失效机理

(1)高温环境或发热是导致电解电容寿命终结的主要原因。  

通常,电解电容器寿命的结束以电容量下降到额定值(初始值)的80%以下为评判标准。在早期阶段,由于电解液充盈,电解电容的电容量会缓慢下降。然而,在长期使用过程中,电解液会逐渐减少,这是因为它需要不断修补阳极氧化膜上因杂质损伤而产生的缺陷。到了使用后期,随着电解液的挥发和减少,其粘稠度显著增加,难以充分接触经过腐蚀处理的粗糙铝箔表面的氧化膜层。这会导致电解电容的有效极板面积减小(即阳极和阴极铝箔的容量减少),从而引起电容量急剧下降。因此,可以认为电解电容容量的降低主要是由电解液挥发引起的,而高温环境或发热则是造成电解液挥发的主要原因。  


电解电容的导电能力取决于电解液的电离能力和粘度。当温度降低时,电解液的粘度会增加,从而导致离子移动性和导电能力下降。如果电解液被冷冻,离子移动能力将变得极其低下,几乎形成极高的电阻。相反,过高的温度会加速电解液的蒸发,当电解液减少到一定程度时,电容的寿命也就随之终止。在寒冷地区(通常低于-25℃)工作时,为了确保电解电容正常运行,需要对其进行加热以维持适宜的工作温度。例如,户外型UPS在我国东北地区通常配备加热板以应对低温环境。  


(2)电解电容的等效串联电阻(ESR)会产生损耗并转化为热量,从而导致其发热。  

理论上,一个理想的电容不会产生任何能量损失。然而,在实际应用中,由于制造电容所用材料存在电阻,以及绝缘介质本身的损耗等因素,电容无法达到理想状态。这些损耗在外部分别表现为一个与电容串联的电阻,因此被称为等效串联电阻(ESR)。

ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。

比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源都使用低ESR的电容器。

由于应用条件使电解电容发热的原因是电解电容在工作在整流滤波(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)电流流过电解电容,在电解电容的ESR产生损耗并转变成热使其发热。当电解电容电解液蒸发较多、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,电解电容容量急剧下降,甚至会造成爆炸。


(3)漏电流增加往往会导致铝电解电容器失效。

应用电压过高和温度过高均可能引起漏电流的增加,而漏电流的增加则常常导致铝电解电容器失效。

铝电解电容器的漏电流本质上是一个电化学过程,这一过程已在之前的因素概述中详细讨论,这里不再赘述。在电化学过程中,气体的产生不可避免,这些气体的累积会导致铝电解电容器内部气压上升,最终触发压力释放装置进行泄压。


◇ 电压过高

电容器在过压状态下容易被击穿,实际应用中常见的浪涌电压和瞬时高电压是其主要诱因。尤其在我国,由于地域广阔、电网复杂,交流电网中经常会出现超出正常电压30%的情况,尤其是单相输入时,相位偏移会进一步加重电压波动范围。测试表明,常用的450V/470μF/105℃进口普通2000小时电解电容,在额定电压的1.34倍下工作时,仅需2小时就会出现漏液、冒气甚至顶部冲开的现象。根据统计与分析,通信开关电源PFC输出端的铝电解电容失效,主要归因于电网浪涌和高压造成的损坏。因此,铝电解电容的电压选择通常采用二级降额设计,建议以额定值的80%使用为宜。


◇ 温度过高

铝电解电容器温度过高可能由以下两种原因造成:一是环境温度过高,例如电容器附近存在发热元件或整个电子装置处于高温环境中;二是芯包温度过高。芯包温度升高的根本原因是流过电解电容的纹波电流过大。过大的纹波电流会在电解电容的等效串联电阻(ESR)中产生过多的能量损耗,从而引发过度发热,导致电解液沸腾并产生大量气体,使电容器内部压力急剧升高,最终触发压力释放装置动作。


通常情况下,铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃,其寿命可延长一倍。该核心区域大致位于电容器中心,是电容器内部最热的点。然而,当电容器温度接近其最大允许值(如125℃)时,大多数型号的电解液会被芯包排挤(driven),导致电容器的ESR增大至原来的10倍。在这种情况下,瞬间超温和过电流可能导致ESR永久性增大,进而引发电容器失效。在高温和大纹波电流的应用场景中,必须特别警惕瞬时超温的可能性,并额外注意铝电解电容器的冷却措施。

电解电容压力释放装置(顶部的K或者十,不同的厂家略有区别):

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为防止电解电容因内部高温导致电解液沸腾,或因电化学反应产生气体而引发内部高压,进而造成电容爆炸,通常会在电解电容中设置压力释放装置。这些装置能够在气压达到危险水平但尚未引发爆炸时及时动作,释放内部气体。然而,一旦电解电容的压力释放装置启动,该电容便会被视为失效。


铝电解电容器失效的主要原因在于电解液的干涸,而电解液干涸的具体原因包括以下几点:


1. 电解液自然挥发:电解液会随着时间逐渐挥发,导致其消耗。挥发速度与温度密切相关,温度越高,挥发速度越快。


2. 密封质量的影响:电解液的挥发速度还取决于电容器的密封性能。无论在高温还是低温条件下,良好的密封性都是确保电解液不流失的关键因素。


3. 漏电流引起的电化学效应:漏电流会导致电解液通过电化学反应被消耗,从而进一步缩短电容器的使用寿命。随着漏电流的增加,电容器的寿命会显著减少。


4. 温度对漏电流的影响:漏电流随温度升高而增大。例如,在25℃时的漏电流仅为85℃时漏电流的不到十分之一。


5. 施加电压对漏电流的影响:漏电流还与施加电压相关。以耐压为400V的铝电解电容器为例,在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下漏电流的5倍。


综上所述,控制温度、优化密封质量和降低漏电流是延长铝电解电容器寿命的重要措施。

03
影响电解电容使用寿命的因素总结

首先,使用环境温度对性能有显著影响。

随着温度升高,电解液蒸发加剧,溶液变得更为粘稠,进而导致电阻率因粘度增加而上升。这种变化会引起等效串联电阻(ESR)增大,从而提升损耗并使损耗角扩大,进一步产生更多热量。这一过程形成恶性循环,最终导致容量急剧下降,并显著缩短使用寿命。


其次,纹波电流也是关键因素之一。

热应力直接影响电解电容器的寿命,因此由纹波电流引发的热损耗成为决定其寿命的重要原因。  

热应力:当温度发生变化时,物体由于外部约束或内部相互作用无法完全自由膨胀或收缩而产生的应力,也称为变温应力。  

纹波电流:流经电解电容器的交流分量电流,受环境温度和交流频率的影响。不同环境温度下,纹波电流的额定允许值有所不同。在相同环境温度条件下,允许范围内流过的纹波电流越大,电解电容器的寿命越短。  

纹波电流较大时,会在ESR中产生损耗并转化为热量,促使电解液蒸发增多、溶液变稠,电阻率随之上升,ESR进一步增大,损耗与损耗角同步提高,热量持续累积,形成恶性循环,最终可能导致容量急剧下降甚至发生爆炸。


第三,电容的等效串联电阻(ESR)同样至关重要。

ESR中的能量损耗会转化为热量,促使电解液蒸发加速、溶液粘稠度增加,电阻率随之上升,ESR进一步增大,损耗和损耗角同步提升,热量继续积累,形成恶性循环,最终可能造成容量急剧下降甚至爆炸。


第四,漏电流的变化也会对电解电容器产生重要影响。

漏电流增加会导致电化学反应的发生,消耗电解液,从而减少电容器的寿命。


最后,电压过高是另一个潜在风险因素。

浪涌电压或瞬时高电压可能会击穿电容器,导致其损坏或失效。


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