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摘要：本文阐明了铝电解电容器的主要失效为磨损失效，通过数据、图表分析了纹波电流、电压、温度、频率对电容器失效的影响。
关键词：磨损失效；纹波电流；电压；温度；频率
铝电解电容器是电子设备中应用较为广泛的一种元器件，由于具有比较大的电容容量，常被用作整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交流电路的耦合以及储能等。但其损耗角正切值较大，温度、频率特性相对较差，受纹波电流、瞬时高压、环境温度以及高频影响大，容易造成失效。本文对其失效原因进行了分析。
1.概述
开关电源中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、铝壳防爆孔开裂。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。电解电容的失效遵从一种被称为“浴缸”的失效率曲线，如图1所示。
造成铝电解电容器磨损失效的因素可分为两大部分。其一是电容本身特性，其中包括制造材料的（极片、电解液、封口等）选择及配方，制造工艺及技术（封口方式、散热技术等）；其二是电容的应用环境，包括（环境温度、散热方式、电压、电流及频率参数等）。下面主要说明电容应用环境对铝电解电容器寿命的影响。铝电解电容生命终结一般定义为电容量、漏电流、损耗角这三个关键参数之一的衰减超出一定的范围。开关电源中液态铝电解电容器的容量变化率，损耗因子，漏电流超出规定允许值或者有明显的外观异常发生，即认为达到了其寿命的终点。
诸如环境温度，湿度，机械振动，纹波电流（RC）等因素都会对开关电源中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。
2.电解电容器的基本构造特征
电解电容器的内部结构与陶瓷电容器和有机膜电容器有明显的区别。
（1）在电解电容器介质（如铝、钽、铌等），在金属表面通过电解过程产生一层很薄的金属氧化膜（可以小到纳米级别），层氧化膜介质完全与电容器的一端电极组合成一个整体，不能单独存在。有机薄膜电容器和陶瓷电容器是由一种绝缘材料所制成的，如有机薄膜、陶瓷等。
（2）电解电容器中的采用阀门金属作为阳极的一种电容器，它是在极性电解电容器中应用接入电路的正极。另一个极电解电容器不是金属，它是所谓的“电解质”（注意电解液不是介质），它可以是液体，也可以用来粘贴，凝胶，或固体，这是使电解电容器可以工作在高电场强度和电容器和可靠工作的必要条件，这叫做电容器阴极。
（3）为了将阴极连接到外部电路并与电解液接触，这是与电路连接的电解电容的负极，它只会导致阴极.
3.电压对开关电源中液态铝电解电容器失效的影响
正向电压对电容器漏电流的影响比较小，因而对电容器失效影响较小，但是在过额电压作用下，正向漏电流急剧飙升。例如：额定电压为1OOV的电容器，在施加电压小于100V时，漏电流只有几uA；而当电压一旦超过100V，电流迅速上升，120V时漏电流可以达到5OuA。因此过电压对电容器寿命影响非常大，当阳极箔片电压因热量的产生及自身绝缘的崩溃而减小时，一个大电流将流经电容器并在短时间内引起内部压力的激增。如果安全阀门被启动而开启，转变成气体的电解液将很快被释放出去，电容能量将等于1/2CV2。过额电压越大将导致越激烈的阀门爆炸，箔片之间越有可能出现短路。
在反向施压时，即使很小的电压也会产生很大的反向电流。还是以额定电压100V为例，当反向电压为3V左右时，漏电流就达到5OuA，铝电解电容器内部损耗会很大，电容器将立即失效。因此在使用中，禁止在铝电解电容器两端加上交流电。
4.温度与铝电解电容器失效的关系
一般来说（并非绝对），当铝电解电容器在最大允许工作环境温度以下工作时（一般最低到+40℃的温度范围），电容的期望寿命可以根据阿列纽斯理论进行计算。该理论认为，温度每上升10℃铝电解电容器的寿命会减半（每上升10℃将在原基础上衰减一半）。从而可以得到如图3所示的寿命和温度关系曲线，图中给出了五种额定温度和寿命的铝电解电容器的寿命和温度关系曲线。
图3温度对寿命的影响
从图中可以看出，在+40℃到其额定温度之间，随着温度的下降，各种铝电解电容器的寿命得到延长。相反，温度一旦超过其额定温度时，电容器寿命骤减，造成失效。
5.频率特性对铝电解电容器的影响
频率特性主要会影响铝电解电容器的容量。当频率增大时，会降低电容器的容量，超出一定值后，可能造成电容器的失效。究其原因为，铝电解电容器为增大电极表面积而将阳极、阴极铝箔腐蚀的非常粗糙，与粗糙的阳极电极深处对应的是电解液的阴极，由于电解液具有较高的电阻率而使得粗糙的阳极电极深处的电容到引出端实际上已形成RC电路，随频率的上升，这个子电容的作用越来越弱，等效电容越来越小，影响电路的性能，进而可以认为电容器失去了作用。通过试验得出频率与铝电解电容器电容量的关系。
结论
铝电解电容器广泛应用在开关电源中，而且是影响开关电源寿命的最主要因素，因此研究它的失效，可以使电容器得到更好的应用。
参考文献：
[1]Rifa铝电解电容器应用指南
[2]陈永真，电容器及其应用.北京：科学出版社，2005
[3]季锐浅析开关电源中液态侣电解电容器的失效机理及可靠性.电子元件与材料，2002
论文作者:陈冠洪,童庆元,张文浩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/13
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