铝电解电容
总技术文档
日期：2008年一月
1 / 40
1:电解电容基本构造
电解电容在各种各样的电容中占据特殊的位置，这是因为其工作原理是一个电化学过程。
电解电容的优点使其应用广泛，其主要优点是容量密度大，这样可以使容量可以做到法拉以上，并且可以输出很大的纹波电流，而且有很高的可靠性及优良的性价比。
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。
图1 电解电容基本构造
C=ε0×εr×Α/ d
C 容量，单位是F
ε0绝对介电常数，单位是As/Vm
εr 相对介电常数(对于AL2O3是9.5)
A 电容电极面积，单位是m2
d 电极间距离，单位是m
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。
2 / 40
蚀刻铝箔使得很紧凑的铝电解电容尺寸得以实现，而且是现在唯一使用的方式。
使用未经蚀刻的铝箔做为电极的铝电解电容电气特性更好，但这样的电容体积庞大，现在只在一些特殊应用中使用。
图2 高压电容阳极箔图3低压电容铝箔
放大率400倍放大率400倍
铝电解电容的绝缘层是由阳极氧化（化成）在铝箔上形成铝氧化物层，绝缘层厚度随着化成电压的增大而增大，其比率是1.2 nm/V。即使是很高耐压的电解电容，其氧化层也不超过1 μm这样可以节省电极空间。这是高容积率可以实现的一个原因（相比较而言，纸绝缘层的最小厚度为6 to 8 μm)。
在化成过程中，蚀刻铝箔的细小凹陷由于化成电压及蚀刻铝箔的厚度不同而结壳厚度不同。由于这个效应，在铝箔蚀刻时电容的工作电压范围必须予以考虑。氧化层的阻抗随电压变化而变化，这使得电流随电压的增加而很陡峭地增加。其特性如图4所示。
图4铝电解电容的电流--电压特性
其中：
V R = 额定电压
V S = 浪涌电压
V F = 化成电压
3 / 40
当超过化成电压VF时, 化成过程产生新的大量的气体，这样热量也产生了。相同的效应，如果用小一点的比例，可以在曲线的弯曲处观察到，额定电压定义为曲线线性部分对应电压。由于电容在短周期内只决定于浪涌电压V S，这个范围位于额定电压与化成电压之间。化成电压与工作电压的差额就坐所谓过阳极电镀，这样对电容工作的可靠性有正面影响。高的过阳极电镀使得制造IEC 60384–1规定的LL长寿命级别电容成为可能。
因为电极电容的液体是阴极，它们也被称作‘湿’或者‘非固体’电容。液体有可以充满蚀刻坑的优点，这样最佳地适合阳极结构。
阳极阴极铝箔被纸介质隔离。纸有不同的目的，它既充当电解液的容器（电解液储存在吸收性很强的纸介里）又可以防止电气短路，也可以保证阳极与阴极之间的绝缘强度。
图5 铝电解电容的卷绕结构
4 / 40
上述的铝电解电容只有在正确连接时才能正常工作，电压正极必须接阳极铝箔，负极接阴极。如果接反，会导致电解过程发生，这样会在阴极铝箔上形成绝缘层。在这个过程中，内部会产生很高的热量，气体散发导致损害电容。而且，阴极电容也会随着氧化层厚度的增加而减小，并且与阳极电容串联，从而大幅度减少整个电容容量。
这里描述的电解电容只适合直流应用，直流电压也许是一个波纹电压，例如叠加了交流成分的直流电压，但必须是电压正极连阳极。这样的电容是有极性电容，可以用到大部分场合。如上面所指出的，有极性电容不允许电压反接。如果电压加反且电压值不超过1.5 V，可以允许很短时间，因为阴极产生对电容有损害的氧化层由于电压还很低只是刚刚开始（原因是阴极铝箔上有一层空气氧化层，其击穿电压为1.5 V)
2：标准与规格
2.1 通用级及长寿级电容
铝电解电容通常分为两种基本类别：高可靠应用类及通用类。这种区别也被有关的IEC标准采用。
在IEC的出版物里高可靠性电容被定义做"Long- Life Grade" 电容。LL简写会印在电容上，除了章节1中描述的过阳极氧化外，也要做进一步的测量来提高可靠性。
总体来讲，用在铝电解电容上的材料必须符合高纯度要求，那些用做制造LL级别材料必须特殊挑选。LL系列的设计努力影响电容体积及价格。
在IEC出版物里，通用级别铝电解电容被称作"General-Purpose Grade"
2.2 应用标准
铝电解电容的国家标准是IEC 60384-4, 德国称作DIN IEC 60384-4.
将来，德国的规格必须符合IEC规范或者引入IEN 130300, 这个标准的技术内容与IEC规范相同。
5 / 40
上述的组合标准之外还有一套具体标准来做补充，这些具体标准用做特殊设计（如轴线引线电解电容），经常这些具体标准的电气特性要好过组合标准。具体标准里也包括最大允许尺寸及容量和额定电压。
近期规格里给出的容量级别依照E3及E6系列。
额定电压值依照R5系列来标准化，在一些例外里，电压级别符合一些特殊要求。
下列标准适用于非固态的铝电解电容
IEC 60384-1 (与DIN EN 60384-1, EN 60384-1相同):
一般标准:
电子设备用固定电容：
IEC 60384-4 (与DIN IEC 60384-4, EN 130300相同):
组合规格:
适用于固体与非固态铝电解电容
IEC 60384-4-1 (与DIN IEC 60384-4-1, EN 130300相同):
空白具体规格:
非固态铝电解电容
正确使用铝电解电容的重要注意事项可以在CENELEC REPORT
R040-001 的"Guide for the application of aluminum electrolytic capacitors"里找到。
6 / 40
Epcos生产的铝电解电容技术规格符合CESS的规格。对应关系如下表：
7 / 40
3电气参数定义
3.1电压
3.1.1额定电压V R
3.1 Voltages
3.1.1 Rated voltage V R
额定电压V R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 称作高压电容(请参照总技术文档 15 料号系统)
3.1.2 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，电容可以承受不超过1.5 V 的反向电压。
3.1.3浪涌电压V S
浪涌电压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V R≤ 315 V: V S = 1.15倍V R
如果V R > 315 V: V S = 1.10倍V R
3.1.4 瞬时电压
Epcos生产的一些电容可以承受超过浪涌电压的电压值。由于客户的要求随着应用的不同而不同，我们不声明标示的功率级别符合客户的过压要求。
3.1.5叠加的交流电压，纹波电压
施加在电容上的交流成份，或称作纹波电压加上给电容施加的直流电压不允许超过额定电压，纹波电流也不允许超过额定值，而且电压也不允许反接。
3.1.6 反向电压Reverse voltage
铝电解电容是有极性的电容，如果需要，应当加一个二极管来保证电压不会接反。二极管正向压降不许超过0.8 V。低于1.5 V的反向电压可以施加不超过1秒钟，但不许是连续电压或者重复施加。
8 / 40
3.2电容量
3.2.1交流及直流容量
电容的容量可以由测量它的交流阻抗（考虑振幅及相位）或者测量当一个直流电压施加上去时它保留的电荷来得到。两种方法的结果差距很小。总体来讲，施加直流电压得到的结果（直流电容）值要高于施加交流电压得到值（交流电容）。比例因子大概是1.1比1.5，最大差别是在低电压测量时产生的。
在大多数应用下（例如滤波或耦合），一般是测量交流电容。
Figure 6
铝电解电容简化等效电路如图6
等效串联线路的容性元件的电容C S可以由施加≤0.5 V交流电压来测得。由于交流电容决定于频率及温度，IEC 60384-1和IEC 60384-4规定了测试频率为
100 Hz或者120 Hz，测试温度为20 °C (其它参考温度由特殊要求来决定).
也有其他应用（如放电或者定时线路）直流电容起决定性作用。不管这一事实，用交流方法测得电容量的电容也可以用作这些应用，但要做一些修正来做补偿。然而，在一些例外情况，必须测得直流电容量。IEC出版物没有提供过有关规范。因此，DIN规定了一个单独的标准。这个标准称作DIN 41328-4, 它描述了一个测量方法，包括一次性的，不重复发生的电容充放电。
3.2.2 额定容量C R
额定容量是电容设计和标示的交流电容值。C R是由(IEC 60384-1 and IEC 60384-4)规定的特殊标准来测得的。基准值按E3和E6系列来标出。
EPCOS定义C R单位为μF，在100Hz， 20 °C 时测得，符合IEC 60384-4标准。
9 / 40
3.2.3 容量误差
容量误差是电容实际容量离开额定容量分布范围。容量误差会表示在元器件上，EPCOS用IEC 60062的代码来标示误差; 这些代码也是编码系统的一部分(参照总技术文档第13 电容表示)
3.2.4 电容温度特性
电解电容的容量不是在所有工作情况下都是常量，温度对容量有很大影响。温度
所示：
降低时，电容粘性增加，这会降低导电性。其典型特性如图7
串联电容C S温度特性是在20°C 以及100 Hz时测得的参考值。
总体上，电容特性曲线在低额定电压时比较陡峭，阳极表面粗糙度越大也会越陡峭。
图7中最平坦的曲线是使用特殊电解液得到的，这种电解液可以保证电容在远低于0°C 的温度下正常工作。
特性曲线差异很大，取决于主要是交流电容还是直流电容起作用。直流容量有更扁平的特性曲线。
10 / 40
3.2.5 电容量频率特性
交流容量不仅决定于温度也决定于测试频率。
图8标出了典型特性曲线。典型有效电容量值可以从阻抗曲线得到，条件是阻抗在容性气主要作用范围内。
C代表容量，单位是F
f 代表频率，单位是Hz
Ω
Z 阻抗，单位是
典型特性
3.2.6充放电实验
频繁的电容充放电循环会导致容量减小。由于EPCOS的特殊设计，可以对电容做充放电实验。大约106个充放电循环会导致容量降低低10%(充放电标准依照IEC 60384-4).
11 / 40
3.3 耗散因数tan δ
耗散因数tan δ是等效串联电阻与等效串联线路里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。其测量线路与测量等效串联电容C S（参看图6）的完全相同。
IEC 60384-4
指定了以下最大值。
3.3.1 耗散因数的频率与温度特性
耗散因数想电容量一样随频率及温度的不同而不同。图9，图10，图11一些通用低压及高压电容的例子。
Figure 9 Figure 10
低压铝电解电容电容高压铝电解电容
(例如: 100 μF/63 V DC) (例如: 47 μF/350 V DC)
12 / 40
图11
低压电解电容"SIKOREL 125"(例子: 220 μF/40 V DC)
3.4 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。它由图6所示等效串联来定义。
3.5 等效串联电阻ESR
等效串联电阻是指等效串联线路的阻性成分。ESR值于与频率，温度有关，而且与耗散因数有关，公式如下
ESR 等效串联电阻，单位Ω
tan δ 耗散因数
C S串联电容，单位为F
在计算这个值时，必须考虑电容容差。
13 / 40
3.6 阻抗Z
电解电容的阻抗源自于图12所示单个等效串联线路。
图12
简化电解电容等效电路
1) 容量C S的容性电抗1/ωC S。
2) 电解液及接线端子的介电损失及欧姆阻抗ESR。
3)由电容绕制及接线端子产生的感性电抗ωESL 。感性电抗ωESL只取决于频率，而 1/ωCS 已经ESR取决于频率及温度。
电容的阻性及电抗性成份决定了电容的总电抗，图13及图14铝电解电容的典型频率及温度特性。
--低频时容性电抗起支配作用。Capacitive reactance predominates at low frequencies.
--随着频率增加，容性电抗(X C = 1/ωC S)逐渐减小直至达到电解液阻抗的数量级。--频率更高时，如果温度不便（参考20 °C曲线），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。
--到达这个频率时，电容绕制及端子(X L = 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。图13及图14表明这个元件在低温度范围内已经呈现低频效应。
阻抗率值在单独的data sheets里给出。
14 / 40
图13 图14
阻抗对频率及温度曲线阻抗对频率及温度曲线
例子: 100 μF/直流63 V (简图) 例子: 47 μF/直流350 V (简图)
3.7 漏电流I leak
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留过电容。这个电路叫做漏电流。漏电流小意味着电容的绝缘层设计的很好。
3.7.1 漏电流的时间与温度特性
如图15所示，在给电容上电前几分钟内有一个很大的漏电流（冲击电流）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。
漏电流温度特性如图16所示，以一个手册里的85 °C 电容为例。
15 / 40
图15漏电流时间特性图16漏电流温度特性3.7.2 漏电流电压特性
在恒温下漏电流与电压关系如图17所示。
图17漏电流电压特性。
16 / 40
3.7.3 工作时的漏电流I leak,op
工作时的漏电流是指电容连续工作状态下的稳态电流。
EPCOS的铝电解电容的I leak,op可以用下面公式计算：
:
LL级
GP级
:
I leak,op工作时的漏电流
C R额定容量
V R额定电压
结果是额定电压及温度20 °C下的结果。根据DIN 41240 and DIN 41332, 20 °C 下的结果乘以以下因数，就得到通用及长寿命级电容的漏电流温度特性。
系列是这个规则的例外，它适用以下系数。
"SIKOREL"
17 / 40
3.7.4 漏电流的验收测试I leak
由于漏电流随着时间与温度的不同而不同，很有必要来定义测量时间与温度的参考值。
根据EN 130300，漏电流测试在20 °C，施加额定电压5分钟后测得。下列公式适用：
漏电流在15 °C和35 °C的任何验收测试值均可以算出。允许极限可以用以下转换因数得出，参考20 °C时的值。
3.7.5 重整
根据IEC 60384-4, 铝电解电容在接收测试前必须做一个重整过程。这个预处理的目的是保证在比较和评估不同产品时有一个相同的初始条件。
为了这个目的，额定电压通过一个串联电阻施加给电容一个小时，这个串联电阻大约是100 Ω 对于V R≤100 V DC, 或者1000 Ω 对于V R >100 V DC。接着，电容被存放在无电压条件下12-48小时，环境温度15到35 °C. 漏电流在其后最迟48小时内测试。
如果电容符合漏电流测试要求，这个步骤可以省略。
3.7.6 未施加电压时的漏电流行为(无电压存储)
如果铝电解电容没有施加电压保存，其氧化层会恶化，尤其是在高温下。因为没有漏电流传输氧离子给阳极，氧化层不会再生。其结果是在延长储存后一个比正常漏电流更大的电流将流过。由于在使用中氧化层会再生，以后漏电流会渐渐减小到正常水平。
EPCOS的铝电解电容可以在不施加电压下存储至少两年，SIKOREL系列的电容可以存储15年而不会有任何可靠性损失。
如果不超过所提供的这个存储周期，电容可以从存储状态下取出在额定电压下工作。
在这个事例下，3.7.5章节中的重整不需做。
18 / 40
在设计应用线路时必须注意这一事实，那就是在刚施加电压几分钟内漏电流可以达到正常值的100倍。
当电容存储超过两年时，电路是否允许高的初始漏电流是决定性的。包含电容的一个线路存储超过两年时，需在无故障下让其工作一个小时。这将使电容再生，然后再存储。
3.8 绝缘皮的击穿强度及绝缘阻抗。
EPCOS的大多数铝电解电容用绝缘套管来封套。绝缘皮的最小击穿强度是2500 V AC或者3500 V DC。可以用IEC 60384-4描述的测试方法来验证击穿强度。为了确保击穿强度，必须小心不要破坏绝缘套管，尤其是用金属夹来装配时。绝缘套管的绝缘阻抗至少在100 MΩ. IEC 60384-4制定了相应的测试方法。
上面种类里的+85 °C 以及+105 °C外套PVC收缩套管。也可使用聚酯包装。上面种类里的+125 °C电容爆标准包装是聚酯包装。
4 纹波电流
4.1 General
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tan δ (或者 ESR) 以及交流频率。
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。图标表明使用寿命是环境温度的函数。T A在单独的data sheets里给出（请参考5.3使用寿命的计算来了解如何使用这些图标）。
这些热量考虑暗示在某种环境下必须选用更高耐压及更高容量的电容来应对不同应用。
19 / 40
4.2 纹波电流的频率特性
铝电解电容的耗散因数（与ESR有关）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date sheets里，电容的纹波电流能力是指在100 或者120 Hz条件下的，或者在一些个例下值10或者10kHZ。对其它频率下的转换因数以图表的形式给出。
4.3 纹波电流的温度特性
在上述种类的电容手册里，规格书给出了最大允许纹波电流。对大多数种类，如果其工作温度可以超过85 °C, 其85 °C 时的纹波电流也会给出，这样可以做比较。
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。这个图标也可以用以估算给定工作条件下的的预期使用寿命。
5 使用寿命
使用寿命（也定义做服务寿命及操作寿命）定义做电容不超过指定失效率的可以达到的寿命。
总失效或者失效预期变量构成了电容寿命结束（请参考质量及环境1.8使用寿命/可靠性）
依赖于线路设计，由于参数不一致导致的器件失效并不一定意味着设备失效。这意味着电容的实际使用寿命可能会长于给定使用寿命。
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。
除了标准系列外，EPCOS也可以照客户特殊要求来做其它使用寿命电容。
5.1 负载条件
CECC定义有液体电解液的电容使用寿命基于以下条件：
--额定电压
--额定纹波电流（叠加在直流电压上的交流成份峰值不能超过额定电压）
--额定温度
20 / 40