电解电容

　　电解电容是一种由两块平行金属板以及两金属板之间放置电解液所构成的电容。电容器依照所使用的电极材料、电解液之种类而付予电容器的名称。介质有电解液涂层有极性，分正负不可接错。

铝电解电容器的卷绕结构及简图如下所示：

　　电解电容包含两个导电电极，中间有绝缘层隔开。一个电极（阳极）由扩大 了表面积的铝箔形成。铝氧化层（AL2O3）在其表面形成绝缘层。与其它电容相比， 铝电解电容的负极（阴极）是导电液体，称作电解液。另外一个铝箔，是所谓的阴极箔，其有更大的表面积，以传递电流到电解液。电容的阳极是极纯的铝箔， 其有效表面被极大地增大（比例可以到 200 倍），增大方式是一个电化学腐蚀过程， 这样可以使电容到最大容量。化学腐蚀的方式以及程度过程不同，决定于其不同 要求。

　　铝电解电容器的主要生产原材料为：阳极箔、阴极箔、电解纸、电解液、导箔、胶带、盖板、铝壳、套管、垫片等。

　　其生产工序主要有：切割、卷绕、含浸、装配、老化、封口、印刷、套管、测量、包装、检验等。

　　以下为其主要生产工艺 图：

铝电解电容器的主要电学性能参数

额定电压 VR：是设计电容时设计的而且表示在电容上的直流电压。对于铝 电解电容，额定电压≤100 V 通常叫做低压电容，而额定电压>100 V 称作（中）高 压电容，常用的额定电压有 6.3V，10V，16V，25V，50V，63V，100V，250V， 400V，450V，500V，630V 等。

工作电压VOP：电容可以在额定电压（包含一些叠加成份）下额定工作范 围内连续工作。允许的连续工作电压范围为0V到额定电压之间。在很短时间内， 因阴极铝箔上有一层空气氧化层，电容可以承受不超过1.5 V 的反向电压。

浪涌电压VS：是短时间内可以加在电容上的最大电压，比如一小时内5次， 每次一分钟。IEC 60384-4定义浪涌电压如下： 如果 VR ≤ 315 V，VS = 1.15VR， 如果VR > 315 V，VS = 1.10VR。

额定容量CR：是电容设计和标示的交流电容值。 CR是由(IEC 60384-1 and IEC 60384-4)规定的特殊标准来测得的，对于电解电容一般测试条件为2倍工频 （100HZ 或 120HZ），室温。另外，容量误差是电容实际容量离开额定容量分布范围，一般会标在本体上，对于 AL 电解基本上标记为 M（±20%）。

使用温度范围：即电容器能够稳定工作的温度范围，目前常见的低温极限值大致有-55℃，-40℃，-25℃几种，高温极限值大致有 85℃, 105℃ ,125℃，130℃ 等几种。

耗散因数 tanδ：是等效串联电阻与等效串联线路里(如下图)容性电抗成分的比值，或者是在正弦电压下有功功率（耗散功率）与无功功率的比值。

等效串联电感 ESL：自身电感或者称等效串联电感来源于接线端子及电容 内部设计，如上图。

等效串联电阻 ESR：是指等效串联线路的阻性成分。ESR 值与频率，温度 有关，而且与耗散因数有关，公式如右图

阻抗 Z：是指等效串联线路的总的电抗值，它只要包括容量 CS的容性电抗 部分；电解液及接线端子的介电损失及欧姆阻抗 ESR 部分；由电容绕制及接线端子产生的感性电抗 ESL 部分。ESL 只取决于频率，而容性电抗和阻性电抗则取决于频率及温度。

漏电流 Ileak：由于铝电解电容的特殊特性，其铝氧化层也充当绝缘层，在 直流电压施加很长时间后，还有一个小电流会继续流过电容。这个电流叫做漏电流。漏电流小意味着电容的绝缘层设计的很好。

纹波电流：用rms值来标示流过设备的交流电流，其原因是跳动及浪涌电 压。最大允许纹波电流决定于环境温度，电容表面积（散热区域），耗散因数以及交流频率等。由于热应力对电容寿命有决定性作用，由纹波电流产生的热量就是影响使用寿命的重要因数。

使用寿命：使用寿命（也定义为服务寿命及操作寿命）定义为电容不超
过指定失效率的可以达到的寿命。使用寿命是应用使用经验以及加速老化试验来得到的。如果负载低于额定值，使用寿命可以得到延长（比如低的工作电压，电流及环境温度），适当的散热措施也可以延长使用寿命。

除了上述的电学参数外，电解电容还有存储温度，气候条件，温湿循环， 引线强度，可焊性等可靠性项目。

铝电解电容器的主要电学性能参数特性

容量温度特性
　　温度对电解电容的容量有较大影响，温度降低时，电容粘性增加，这会降低导电性。其典型特性如下图。

电解电容的容值随着温度的降低而降低。

容量频率特性
电解电容的容量随着测试频率的升高而降低，如下图：

耗散因数与频率温度特性

　　电解电容的耗散因数在同频率下随着温度的降低而升高；在同温度下随着频率的升高而升高。

阻抗 Z 的频率温度特性

　　由上可见，低频时容性电抗起支配作用，随着频率的增加，容性电抗　(Xc =1/ωCs)逐渐减小直至达到电解液阻抗的数量级；频率更高时，如果温度不变，电解液的阻抗起主要作用；当到达电容共振频率时，容性及感性电抗相互抵消，超过这个频率时，电容绕制及端子(XL=ωL)的感性阻抗开始起作用导致阻抗增加。电 解液的阻抗随着温度的降低大大增加。

漏电流大小与时间及温度特性

　　以上左边为漏电流随时间的变化曲线，电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用，然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。在给电容上电前几分钟内有一个很大的漏电流（冲击电流，冲击电流包括位移电流和吸收电流，其中位移电流随着时间迅速衰减，而吸收电流比位移电流衰减慢的多，可能延续数分钟）流过，在特殊情况下甚至在没有直流电压后还要一个延时。在连续工作下，这个漏电流会减小直至恒定值成为所谓稳态值（这部分电流是由介质的电导引起的，其大小决定于电介质在直流电场中的导电率，是一个恒定的电流，所以可以认为它是纯阻性电流，也即我们常讲的电容的漏电流）。越小的漏电流表明电介质制作得越精良。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。漏电流的温度特性如右图所示，一般地随着温度的升高漏电流将会变得越来越大。

纹波电流的频率与温度特性
　　铝电解电容的耗散因数在固定电压下随频率不同而不同。所以，纹波电流也是频率的函数。在单独的电容规格书里，电容的纹波电流能力是指在 100Hz 或者120 Hz 条件下或者在一些个例下 10kHZ 或者100kHZ。对其它频率下的转换因数以图表的形式给出。随着频率的增大，其纹波电流增大。
　　在每种电容的规格书里也包括在其他温度及纹波电流下的图表。当然在低温下其纹波电流变大。

AL 电解电容的设计与选型

选用原则
铝电解电容器选型要点：
容量、耐压、温度范围、元件封装形式与尺寸、纹波电流、漏电流、ESR、散逸因数、阻抗/频率特性、电容寿命、实际需要、性能和成本等。
　　铝电解电容是以经过蚀刻的高纯度铝箔作为阳极，以浸有电解液的薄纸或布做阴极构成的极性电容器。优点：容量大、耐压高 、价格便宜；缺点：漏电流大 、误差大 、稳定性差 、寿命随温度的升高下降很快。

容量和额定工作电压
　　铝电解电容本体上标有的容量和耐压，这两个参数是很重要，是选用电容最基本的内容。在实际电容选型中，对电流变化节奏快的地方要用容量较大的电容，但并非容量越大越好，首先，容量增大，成本和体积可能会上升，另外，电容越大充电电流就越大，充电时间也会越长。这些都是实际应用选型中要考虑的。额定工作电压：在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压。在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的 1.42 倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量的问题，一般来说要在 15％以上。例如某电容的额定电压是 50V，虽然涌浪电压可能高至 63V，但一般最高只会施加 42V 电压。让电容器的额定电压具有较多的裕量，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命。

介质损耗
　　电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。

外型尺寸
　　外型尺寸与重量及接脚型态相关。single ended 是径向引线式，screw 是锁螺丝式，另外还有贴片铝电解电容等。至于重量，同容量同耐压，但品牌不同的两个电容做比较，重量一定不同；而外型尺寸更与外壳规划有关。一般来说，直径相同、容量相同的电容，高度低的可以代用高度大的电容，但是长度高的替代低的电容时就要考虑结构干涉问题。 ESR 一个等效串联电阻很小的电容相对较大容量的外部电容能很好地吸收快速转换时的峰值（纹波）电流。用 ESR 大的电容并联更具成本效益。然而,这需要在PCB 面积、器件数目与成本之间寻求折衷。

纹波电流和纹波电压
　　在有的资料中称作涟波电流和涟波电压，其实就是 ripple current，ripple　voltage。含义就是电容器所能耐受纹波电流/电压值。纹波电压等于纹波电流与 ESR 的乘积。当纹波电流增大的时候，即使在 ESR 保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后，由于电容内部的等效串连电阻引起发热，从而影响到电容器的使用寿命。一般的，纹波电流与频率成正比，因此低频时纹波电流也比较低。额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值。而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关。规格书目通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。

漏电流
　　电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而，由于铝氧化膜介质上浸有电解液，在施加电压时，重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。通常，漏电流会随着温度和电压的升高而增大。一般来说，电容器容量愈高，漏电流就愈大。从公式可得知额定电压愈高，漏电流也愈大，因此降低工作电压亦可降低漏电流。

寿命
　　首先要明确一点，铝电解电容一定会坏，只是时间问题。影响电容寿命的原因有很多，过电压，逆电压，高温，急速充放电等等，正常使用的情况下，最大的影响就是温度，因为温度越高电解液的挥发损耗越快。需要注意的是这里的温度不是指环境或表面温度，是指铝箔工作温度。

关于电解电容的降额设计

常用电容品牌特点介绍

RUBYCON：
YXF 系列（105 度长寿命低阻抗品）开关电源输出滤波用
YXG 系列（105 度长寿命高纹波品）开关电源输出滤波用
ZLH 系列（105 度超低阻抗品）低压型
ZL 系列（105 度高纹波电流低阻抗品）低压型
TXW 系列（105 度小型化长寿命（10000H）品）LED 路灯电源专用品
KXW 系列（105 度小型化品）中高压型
BXC 系列（105 度高纹波电流长寿命品）中高压型
BXA 系列（105 度长寿命品）中高压型
MXC 系列（105 度标准品）基板自立型
MXG 系列（105 度小型化品）基板自立型

NCC：
KY 系列（105 度高频率平滑用低阻抗小型化品）开关电源输入输出平滑用
KZH 系列 KZE 系列 KZM 系列（105 度高频率平滑用低阻抗小型化品）开关电源输入输出平滑用，这几个皆为低压的。
KXJ 系列（105 度长寿命小型化品）小型电源输入平滑用，中高压的
PAG 系列（105 度小型化品）小型电源输入平滑用，中高压的
LXZ 系列（105 度高频率平滑用低阻抗小型化品），低压
KMR 系列 KMQ 系列（105 度小型化品）基板自立型，中高压的（极少低压）
LXG 系列（105 度长寿命品）基板自立型，低压
LXQ 系列（105 度长寿命品）基板自立型，中高压

LELON：
RXK 系列（105 度低阻抗小型化品）开关电源用，低压的
RXW 系列（105 度低阻抗长寿命品）开关电源用，低压的
RZW 系列（105 度低阻抗长寿命品）开关电源用，低压的
RGA 系列（105 度标准品）开关电源用，全压，但此系列标称寿命为 2000H 较低
RXQ 系列（105 度高纹波电流长寿命品）开关电源用，中高压的
LS 系列（85 度普通品）基板自立型，基本全压，可到 500V，但该系列温度仅为 85 度，标称寿命为 2000H
LSG 系列（105 度普通品）基板自立型，基本全压，可到 450V
LSM 系列（105 度长寿命品）基板自立型，基本全压，可到 450V

SAMXON：
KM 系列（105 度普通品）全压范围
GF 系列（105 度高纹波低阻抗品） ，低压的
SF 系列（105 度高纹波长寿命低阻抗品） ，低压的
GT 系列（105 度高纹波低阻抗品） ，低压的
RT 系列（105 度高纹波长寿命品），中高压的，高可靠性系列产品
HP 系列（105 度基板自立型），全压的，高可靠性系列产品
KP 系列（105 度基板自立型），全压的，高可靠性系列产品

AL 电解电容的失效模式与案例

　　铝电解电容器正极是高纯铝，电介质是在金属表面形成的三氧化二铝膜，负极是黏稠状的电解液，工作时相当一个电解槽。铝电解电容器常见失效模式有：漏液、爆炸、开路、击穿、电参数恶化等，有关失效机理如下：

漏液
　　铝电解电容器的工作电解液泄漏是一个严重问题。工作电解液略呈现酸性，漏出的工作电解液严重污染和腐蚀电容器周围的其他元器件和印刷电路板。同时电解电容器内部，由于漏液而使工作电解液逐渐干涸，丧失修补阳极氧化膜介质的能力，导致电容器击穿或电参数恶化而失效。产生漏液的原因很多，主要是铝电解电容器密封不佳。采用橡胶塞密封的电容器，也可能因橡胶老化、龟裂而引起漏液。此外，机械密封工艺有问题的产品也容易漏液。总之，漏液与密封结构、密封材料与密封工艺有密切的关系。

爆炸
　　铝电解电容器在工作电压中交流成分过大，或氧化膜介质有较多缺陷，或存在氯根、硫酸根之类有害的阴离子，以致漏电流较大时电解作用产生气体的速率较快，工作时间愈长，漏电流愈大，壳内气体愈多，温度愈高。电容器金属壳内外的气压差值将随工作电压和工作时间的增加而增大。如果产品密封不佳，则将造成漏液；如果密封良好，又没有任何防爆措施，则气压增大到一定程度就会引起电容器爆炸。目前，已普遍采用防爆外壳结构，在金属外壳上部增加一道褶缝，气压高时将褶缝顶开，增大壳内容积，从而降低气压，减少爆炸危险。在使用上如加过载电压，对电容急速充放电，施加反向电压等都有可能使电容爆炸。

开路
　　铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时可能出现开路失效，其原因在于阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂。对于高压大容量电容器，这种失效模式较多。此外，阳极引出箔片和阳极箔铆接后，未经充分平，则接触不良会使电容器出现间歇开路。在使用上，过机械应力有可能使电容开路。

击穿
　　铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂，导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料，工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤。在外加电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷，使填平修复工作无法完善，则在阳极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电解电容器击穿。此外，随着使用和储存时间的增长，电解液中溶剂逐渐消耗和挥发，使溶液酸值上升，在储存过程中对氧化膜层发生腐蚀作用。同时，由于电解液老化与干涸，在电场作用下已无法提供氧离子修补氧化膜，从而丧失了自愈作用，氧化膜一经损坏就会导致电容器击穿。工艺缺陷也是铝电解电容器击穿的一个主要原因。如铆接工艺不佳时，引出箔条上的毛剌严重剌伤氧化膜，刺伤部位漏电流很大，局部过热使电容器产生热击穿。在使用上过温，过纹波电流或过机械应力都有可能使电容击穿失效。

电参数恶化
（a）电容量下降与损耗增大
　　铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降，这是由于负荷过程中工作电解液不断修补并增厚阳极氧化膜所致。铝电解电容器在使用后期，由于电解液耗损较多、溶液变稠，电阻率因黏度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显增大。同时，黏度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，引起电容量急剧下降。这也是电容器使用寿命临近结束的表现。此外，如果工作电解液在低温下黏度增大过多，也会造成损耗增大与电容量急剧下降的后果。在使用上过温，过纹波电流都有可能使电容量下降与损耗增大。
(b)、漏电流增加
　　漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。工艺水平低，氧化膜损伤与沾污严重，工作电解液配方不佳，原材料纯度不高，电解液的化学性质与电化学性质难以长期稳定，铝箔纯度不高，杂质含量多等等这些因素均可能造成漏电流超差失效。铝电解电容器中氯离子沾污严重，漏电流导致沾污部位氧化膜分解，造成穿孔，促使电流进一步增大。总之，铝箔中金属杂质的存在，会使铝电解电容器漏电流增大，从而缩短电容器的寿命.在使用上过压等有可能使电容的漏电流增加。