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摘要：简述了液态铝电解电容器的结构与制造工艺流程，归总了其失效模式。从制程和应用两个方面﹐探讨了液态铝电解电容器的失效机理及导致原因。使用环境温度及纹波电流是影响液态铝电解电容器寿命的主要因素，文中阐述了温度及纹波电流影响寿命的机制。应用Arrhenius方程的形式描述了液态铝电解电容器的寿命估算方法。
关键词：液态铝电解电容器；失效模式分析；寿命
铝电解电容器是被广泛应用的分立元件之一，目前全球每年产量近1000亿只，并以15%年增长率持续发展，在电源滤波，信号耦合/去耦，杂波旁路及谐振选频等电子线路中发挥着重要功效。相对其他种类的电容器而言，铝电解电容器的寿命较短，可靠度较低，因而探讨其失效机理以指导其可靠性的改进是必要的。本文中，作者从制造和应用两个方面阐述了导致铝电解电容器诸类失效的机理与原因。如果能够准确地计算出电子元件在整机中的使用寿命，则对整机的可靠性设计是极为有利的；本文也述明了环境温度及纹波电流对铝电解电容器的影响机制，并给出了估算寿命的Arrhenius方程。
1.液态铝电解电容器的结构与制造工序简介
铝电解电容器的构成材料有：阳极铝箔、阴极铝箔、电解纸、电解液、导针、铝壳、胶盖及胶管；其结构如图1及图2所示。
适当宽度的铝箔和电解纸，以阳极铝箔、电解纸、阴极铝箔、电解纸的顺序由里及外依次层叠，卷绕而成圆柱状，称之为铝电解电容器的芯子。可以形象地将芯子比作铝电解电容器的心脏，一旦其经由含浸工序注入血液——电解液，就可以表征出电解电容器的基本功能。经由将含浸过的芯子密封于铝壳和胶盖的腔体中的组装工序得到的半成品称为裸品，其目的在于防止电解液的挥发，潮解及污染，以保证铝电解电容器长期发挥其效用。裸品经由老化工序以达到稳定产品特性之目的。
2.液态铝电解电容器的失效机理探讨
2.1液态铝电解电容器的失效模式[
液态铝电解电容器主要有以下几种失效模式﹕短路、断路、电容量衰减、损耗因子增大、漏电流增大、电解液泄漏、铝壳防爆纹开裂。对电容器的应用者而言﹐断路和短路属于“灾难性的失效”，或曰“致命的失效”，由于其完全丧失了电容器的功能。正常来说，应用者遭遇短路和断路失效现象的机会较为稀少，这是由于铝电解电容器制造流程中的老化环节可以筛除这类“致命不良”。其他几类失效模式属于“劣化失效”，或曰“耗尽失效”，是由铝电解电容器的组成材料的物理特性决定的，随着其使用或存放时间的增长而必然要表现出来的，与此不同的是，“灾难性的失效”从理论而言是可以避免的，其出现并非必然的、也无明确的规律性。
2.2液态铝电解电容器的失效机理
导致铝电解电容器诸种失效模式的原因主要集中于制造和应用两个方面，表1汇总了液态铝电解电容器的典型失效机理及导致原因。
3.液态铝电解电容器的寿命与可靠性
如同其他任何在使用过程中无专门维护的电子元器件一样，铝电解电容器的失效率（l）随时间的变化趋势亦为典型的“浴盆”曲线（如图4所示）。
诸如环境温度，湿度，机械振动，纹波电流（RC）等因素都会对液态铝电解电容器的寿命产生影响，但其中以环境温度，纹波电流及直流电压的影响最为显著。
3.1环境温度因素
固态电容在等效串联阻抗表现上相比液态电容有更优异的表现。据测试显示，固态电容在高频运作时等效串联电阻极为微小（在毫欧等级），而且导电性在不同条件频率特性都有优良的表现，可以响应300-500K的频率，使产品向小型化，精巧化发展提供了条件。使用温度和寿命之间的关系如图5中曲线所示。
在低温与高温间转换下，固态电容等效电阻值基本不发生改变。从而保证了电源在高温和低温电压输出纹波方面得到了保证，提高电源在高低温特性。而液态电容比较容易受使用环境的温度和湿度影响，在高低温稳定性方面差。
在电源使用时，在电源内部电容是寿命最短的元件，电源的工作寿命取决于电容的寿命。固态电容与液态电容在相同的工作温度时，具有不同数量级的寿命表现。上面表格说明同样为105℃下、寿命2000小时的产品，在相同工作环境下，不同的寿命时间。当温度降低到65℃的环境下时，固态电容的寿命高达22.8年，是液态电容寿命的6.25倍。因此固态电容电源的寿命远长于普通液态电容电源。
固态电容的采用，对电源性能的提升是全方位的。固态电容对比液态电容具有与生俱来的性能优势，他大幅度改善了液态电容的缺点，表现出极为优异的可靠度、稳定性。
3.2纹波电流因素
纹波电流影响液态铝电解电容器寿命的机理在于：铝电解电容器的损耗因子远大于其他类型的电容器，纹波电流通过时，因功率损耗而产生的热量增多，导致其内部温度升高而影响寿命。
3.3施加的直流电压的影响
对比于环境温度及纹波电流的影响而言，在低于液态铝电解电容器额定工作电压的限制下变动其使用电压，其寿命的变化甚不明显。如图6示出了12000μF，50V的铝电解电容器，施加30V、40V、50V直流电压的条件下，电容量和损耗因子随时间的变化曲线。通常可以将直流电压的影响系数记作1。需要指明的是：①若铝电解电容器长时间工作于高于其额定电压，尤其是高于其浪涌电压SV的电路中，其使用寿命将急剧缩短，这是过强的电应力改变了其失效机制﹔②电源滤波用高压铝电解电容器，降压使用其漏电流也随之减小，电容器的发热和电解液的消耗亦会减少，对延长使用寿命会有较显著的效用。
图6不同电场应力下铝电解电容器的寿命测试曲线
结论
液态铝电解电容器的失效模式主要有﹕短路、断路、电容量衰减、损耗因子增大、漏电流增大，电解液泄漏，铝壳防爆纹开裂等。温度是影响液态铝电解电容器寿命及可靠性的主因。环境温度及因纹波电流而致使内部温升对寿命之影响遵循Arrhenius方程：环境温度之温度加速系数为10，即使用温度每提升10℃，寿命减半；纹波电流导致之温升不超出5℃，温度加速系数为10，超出5℃部分的温度加速系数为5。
参考文献：
[1]永田伊佐也.铝箔干式电解电容器[M].陈永滨译，1985.
[2]陈国光，曹婉真.电解电容器（修订版）[M].西安：西安交通大学出版社，1994.
论文作者:童庆元,陈冠洪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：液态论文; 铝电解电容器论文; 寿命论文; 电容论文; 电流论文; 固态论文; 电解液论文; 《电力设备》2018年第12期论文;