1、電解電容的基本原理和結構
我們最初學習電容器的原理的對象基本都是平板電容器,在兩個平板之間放入電介質,這就構成了最簡單一個電容器。 并且有 平板式電容計算公式:C=ε ε0 S/d; 式中:電容C,單位F; ε 相對介電常數; ε0真空介電常數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。 根據公式,可以看出:如果需要增加電容器的容量,在電介質不變的情況下,需要增加平板的面積,縮小平板之間的間距。 電解電容在結構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品的容量一般在0.47uF~10000uF。
1.1 基本結構
平板電容器模型電介質一般都采用固態電介質,依靠電荷的極化來儲存能量,電解電容內含有液態電解液。 離子是導電的,因此需要一個絕緣的隔膜進行“絕緣處理”。 這就是陽極的化成處理,可以簡單認為將Al的表面進行氧化處理,獲得不導電的Al2O3。 這個陽極氧化層的厚度決定了電容的耐壓并且充當電容器的電介質。 而陰極不做處理,只自然氧化形成很薄的Al2O3,可以認為和純鋁沒有區別。 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,用于失效時反應氣體的排放。
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反應
如圖1-3,當陽極加正電壓,陰極加負電壓,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不導電,因此O2-離子無法進入陽極和Al3+離子發生氧化反應。 正離子沿著電場的方面,負離子逆著電場的方面移動。 正離子集中在陽極,負離子集中在陰極,形成電荷能的存儲。 當電場消失,正負離子恢復到原始位置,電場能量被釋放。
鋁電解電容有一個有趣的自修復功能: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重新將氧化層進行修復。 如圖1-4所示,在電場的作用下,缺失的氧化層通過陽極的Al3+離子和O2-離子的氧化反應生成新的Al2O3氧化層。 需要注意的是,這種修復反應不能太劇烈,如果電壓過高,擊穿氧化層,產生大量的氧化還原反應,會釋放出大量的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),發生劇烈的氧化反應,“陽極”氧化層附近發生還原反應,產生H2,引發爆炸。
圖 1-3 電解電容中電荷的移動
圖 1-4 自修復反應
2、電解電容的主要參數
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,如果電壓過高會擊穿氧化層:電解液將和陽極鋁發生氧化反應,陰極則會發生還原反應,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,常常需要多個電容進行并聯使用,使用的容量會遠大于計算需要的容量。
2.3 電解電容的溫度和壽命計算
電容的溫度和壽命有最直接的關系,因為鋁電容的電解液會逐漸揮發而導致電容減小甚至失效,隨溫度升高揮發速度加快。 溫度每升高10℃,電解電容的壽命會減半。
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電容的自發熱和散熱能力進行界定的,ESR越大的電容,相同紋波電流下損耗越大。 損耗一方面影響電路的轉化效率,另外一方面也加大了電容的損耗,引起電容內部溫度的升高。
2.5 封裝和尺寸
電解電容的尺寸較大,在大功率能量轉換系統中,需要綜合考慮電容的尺寸和散熱,以及和整機結構的關系。
3、電路應用設計要點
3.1 損耗角和ESR計算
電解電容在充放電的過程中,由于電荷在運動過程中的摩擦會存在一定的能量損失,這個被電容內部消耗的能量通常采用損耗角進行標注。 如圖3-1所示,理想條件下,電容電流應該超前電壓90°,損耗角的存在導致電流的超前角(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,可以計算出tanδ=R/Xc=2πfCR(式3-1)。
圖 3-1 電容電流電壓角度關系
圖 3-2 電容損耗角
這里我們將損耗等效在一個電阻上,如圖3-3等效電阻特性曲線。 這個電阻一般由三個部分組成: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小; 2、電解液的內阻,受溫度和頻率影響較大; 3、電解電容內部金屬導體等效電阻(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格書給出的是在120Hz測試獲得的損耗角(圖3-4),在實際的開關電源或者逆變系統中開關頻率較高(>10KHz),需要按照式3-1計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。 在進行功率電容計算中,一般可以忽略ESL,因為拐點頻率一般都很高(5~10MHz),功率譜在該頻率點衰減已經十分小了。 但是,在電容應用的濾波電路中,這個寄生參數的ESL就顯得很重要,尤其是在高頻電子線路應用中,這里就不展開了,感興趣可以參考文獻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的關系非常密切,同時紋波電流能夠在ESR上引起電容的自發熱,如果發熱嚴重還會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,所以規格書一般會給出rated ripple 和 頻率修正系數,如圖3-7 所示:
圖3-7 紋波電流頻率修正系數
3.4 壽命評估
影響到電解電容的壽命最主要的因素是其電解液的壽命,隨著時間增加,電解液會蒸發,并且溫度越高蒸發的速度越快。 隨著電解液的蒸發,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)和故障率之間的關系。 圖3-9 所示,電解液對電容特性的影響。
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系
溫度每升高10℃,電解電容的壽命會減半,圖3-10 公式所示:Tmax,L0是規格書給出的預估壽命和溫度條件,Ta是電容實際的工作溫度。 一般規格書中,會給出105℃條件下的壽命(2000hours),根據這個基準結合電容環境溫度和電容自熱溫度進行壽命評估。
圖3-10 電解電容壽命隨溫度計算公式
3.5 電容應用的一般指標
下面列舉了一些電解電容應用過程中常用的降額參數,可供大家在進行電路設計的時候進行參考。
額定電壓:選擇電壓大于最大母線電壓的1.25倍
電容容量:系統額定工況下,母線電壓波動不超過±5%,進行容量計算
紋波電流:系統額定工況下,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:根據系統壽命要求進行評估
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