铝电解电容的失效分析

应用铝电解电容器必须考虑的问题

铝电解电容器的失效

一、铝电解电容器失效的最主要原因

电解液干涸！

电解液干涸的原因

电解液自然挥发

电解液的消耗

电解液自然挥发

电解液的挥发速度随温度的升高而变快；

电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关，无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性。

电解液的消耗

漏电流所引起的电化学效应消耗电解液；

铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少；

漏电流随温度升高而增加：250C时漏电流仅仅是850C时漏电流的不到十分之一；

漏电流随施加电压升高而增加：耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。

电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的因素（温度1）

根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电解电容器的最高工作温度可分为：

一般用途：850C；

一般高温用途：1050C：

特殊高温用途：1250C：

汽车发动机舱：140∽1500C；

影响铝电解电容器寿命的因素

（额定寿命小时数）

按寿命小时数铝电解电容器可以分为：

一般用途（常温，3年以内）：1000小时；

一般用途（常温，希望比较长的时间）：2000小时以上；

工业级：更长的寿命小时数。

影响铝电解电容器寿命的因素

（温度2）

温度每升高100C，寿命小时数减半；

影响铝电解电容器寿命的因素

（电解液）

电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命；

影响铝电解电容器寿命的因素

（应用条件）

高温缩短铝电解电容器寿命；

高纹波电流缩短铝电解电容器寿命；

工作电压过高缩短铝电解电容器寿命；

二、影响铝电解电容器寿命的参数与应用条件

工作电压与漏电流的关系

工作电压与漏电流的关系

CDE生产的450V/4700Uf/850C铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系：

温度与漏电流的关系

CDE生产的450V/4700Uf/850C铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系：

温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响

以EPCOS的B43697电子镇流器用铝电解电容器为例

在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同。

铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系

三、铝电解电容器寿命推算方法：

简单寿命推算

根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命

根据温度、纹波电流与寿命的关系推算寿命

简单寿命推算方法1

不含有纹波电流工作状态的铝电解电容器的推算：基本依据为“100C法则”，即环境温度每上升100C寿命减半，反之亦然，这个“100C法则”是在零纹波电流条件下适用。在铝电解电容器流过比较大的纹波电流时不一定适用。

简单寿命推算方法2

国产某些品牌铝电解电容器推荐的方法

日本品牌铝电解电容器推荐的方法

基本思路

在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由以下公式计算。

其中，L和L0分别为：实际环境温度T时的寿命和额定最高温度T0时的寿命。可以看到，铝电解电容器的使用寿命随温度下降没100C，寿命增加一倍，即所谓100C法则。因此，无论是使用还是储存，铝电解电容器均应在尽量低的环境温度下为好。例如，850C/1000小时的铝电解电容器在450C使用寿命为16000小时，折合为1年零10个月；290C时为48000小时，折合为5年零6个月；而1000小时折合为42天。可以看到，降低温度对延长铝电解电容器寿命的重要性。

图解计算

存在的问题

上述三种推算方法仅适用于存储状态和无纹波电流（很小纹波电流）的工作状态（如隔直流电容、小信号电路的旁路电容）。对于明显含有纹波电流的工作条件时，上述方法不一定适用，这时应将纹波电流的效应考虑在应用条件中。

考虑纹波电流时的寿命推算方法

铝电解电容器的发热由于内部等效串连电阻（ESR）引起，其产生的损耗为：

其中I和R（ESR）分别为：纹波电流（A）和等效串联电阻（Ω）。由于发热引起的温升为：

其中ΔT、I、A、R（ESR）、H分别为：电容器中心的温升（0C）、纹波电流（A）、电容器的表面积（cm2）、ESR（Ω）、散热系数｛（∽）×10-3W/（cm2×0C）｝。

公式（）表示了电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比，与电容器的表面积成反比，因此，纹波电流的大小决定着产生热量的大小，且影响其使用寿命，电容器的类型以及使用条件影响着ΔT值的大小，一般情况下，ΔT<50C。

铝电解电容的温度测试

利用测试结果，并考虑到环境温度和纹波电流时的寿命公式：

其中，L、L0、K、T0、T、ΔT分别为：实际使用寿命、直流工作电压下的使用寿命、纹波电流系数（实际纹波电流有效值与额定纹波电流有效值之比，K=2时，纹波电流在允许的范围内，K=4时为超过纹波电流范围）、最高使用温度、工作温度、中心温升。

电容器工作在额定的纹波电流和上限温度时，电容器可通过转化（）式得到，如下：

其中，L0、ΔT0分别为：工作在额定纹波电流和最高工作温度下的寿命（小时）、最高工作温度下的电容器中心容许温升。

实际上式（）和式（）所表述的是在测试到电容器壳的温度后所得，而并不知道纹波电流的大小，如果知道纹波电流的大小，可以将式（）改为：

其中，I0、I分别为：最高工作温度下的额定纹波电流（A）：实际的纹波电流（A）。

问题

按照式（）存在的问题就是散热系数的确定，生产厂商不给出用户就无法精确计算，如果粗略估算将会产生至少30%的偏差。由于直接测量电容器的内部温升存在着困难，可以利用下表列出表明温度和芯片温度的换算关系。

铝电解电容器芯包与外壳温度的关系

问题

以上的寿命的推算公式，原则上适用于周围环境温度为+400C到最高工作温度范围内，但由于封口材料的老化等因素，实际的推算寿命时间一般最大为15年。

式到式的表述与计算均非常麻烦，而且由于测试以及个体电容器的导热差异而使推算结果很不准确，仅能作为近似估计值。

问题

如果想得到比较准确的推算结果，最好的方法是利用电容器生产厂商所给的温度寿命曲线。比较负责的国外铝电解电容器厂商均给出铝电解电容器寿命与环境温度及纹波电流的关系曲线。

根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命

EPCOS的B43550规格的铝电解电容器与温度、纹波电流的关系

EPCOS的每一个系列铝电解电容器均带有温度、纹波电流与寿命关系曲线

RIFA的寿命推算方法

根据功率损耗、热阻、实际的ESR推算寿命

为计算铝电解电容器的工作寿命（LOP），必须知道：

工作电压（Uapplied），

流过铝电解电容器的纹波电流的有效值（IRMS）

环境温度（Ta）

热阻（Rth）

相关公式

推算方法

首先，在ESR矩阵中，查出不同频率及芯包温度（Th）时对应的“ESR”值，然后计算出纹波电流IRMS流过铝电解电容器时产生的“功率损耗（PLOSS）”。若IRMS由多次谐波构成，则需计算每次谐波产生的功率损耗并依次相加。电容绕组芯包至环境温度的“热阻值”可以在“热阻矩阵”查出，由此可以计算出实际“芯包温度（Th）“，若此实际值与先前选取ESR值时的假设值Th不符，则需修正假设，重新查出ESR值，重复迭代计算，直至结果吻合。

这种推算是最准确的！

需要的条件：

电容器的热阻参数

ESR参数

不同厂商的铝电解电容器的热阻是不同的！

四、开关电源中的铝电解电容器

1、输入整流滤波

2、输入旁路

3、输出整流滤波

（一）、输入整流滤波电容器的作用

1、平滑整流后电压，需要足够的电容量、吸收来自于整流输出的纹波电流

2、平滑并支撑PFC输出电压

3、为后面的逆变器提供低阻抗，旁路来自于逆变器高频纹波电流

（二）、输入整流滤波电容器需要多高耐压？

85∽264V交流输入对应最高整流输出电压约370V可以选择耐压为400V的铝电解电容器。

带有PFC的整流滤波输出电压380∽420V，可以选择耐压为450V的铝电解电容器。

为什么不能用400V耐压的铝电解电容器？

主要考虑的是高温下在额定电压或高于额定电压尽管铝电解电容器可以工作，不会击穿，但是由于在高温下漏电流的高幅值漏电流会明显缩短电解电容器的寿命。

（三）工频输入整流滤波电容器的选择

从整流滤波角度考虑滤波电容器

整流滤波所需要的电容量；

对于一般的开关电源对整流输出电压纹波电压要求考虑：

220V交流输入条件下，需要滤波电容器为1Uf/W；

85∽264V交流输入条件下，需要滤波电容器为3uF/W。

差一页内容

滤波电容器吸收的纹波电流

对于电容输入式滤波，滤波电容器吸收的纹波电流有效值大约为整流输出平均值的2∽3倍！大约为15∽20mA/W。

不同的电路拓扑所产生的开关频率的纹波电流是不一样的。

反激式开关电源约为12mA/W；单管正激式开关电源约为10mA/W；桥式、推挽式开关电源约为7mA/W。

电解电容器能够承受的纹波电流

一个400V/100uF爪式引脚电解电容器允许流过的纹波电流在∽左右，其额定纹波电流承受值仅能满足60W以下的开关电源的滤波要求；

一个400V/470uF爪式引脚电解电容器允许流过的纹波电流在左右，仅能满足150W以下的开关电源的滤波要求。

对于220V输入电压等级，按1uF/W的选择将不能满足电容器所能承受的纹波电流要求，至少要达到3uF/W。

也可以采用多只小容量电容器并联来满足纹波电流要求。例如3只400V/100uF爪式引脚电解电容器的纹波电流承受能力将比400V/470uF爪式引脚电解电容器大。

（四）DC/DC变换器输入旁路电容器作用

（五）输出整流滤波电容器需要注意的问题

输出整流滤波电容器

对输出滤波电容器的基本要求：

1、在不太高的开关频率时，为了滤除开关频率下的纹波电压/纹波电流，需要考虑足够的电容量，这时只能选择电解电容器；

2、为了滤除更高频率的纹波电压/纹波电流，要求输出整流滤波电容器应具有尽可能低的ESR、ESL。

常规电解电容器存在的问题

低ESR铝电解电容器的提出：

常规铝电解电容器的ESR太高，以1000uF/16V铝电解电容器为例，其ESR大约为Ω，在50KHz时的容抗为Ω，远低于ESR值，从滤除交流成分角度考虑，电解电容器已经成为“电阻”，决定滤波效果将不再是电容量而是ESR！

针对上面问题，低ESR铝电解电容器和钽电解电容器问世。

低ESR铝电解电容器

低ESR铝电解电容器的ESR可以比常规铝电解电容器低一个数量级，因而滤波效果可以改善一个数量级；

低ESR铝电解电容器同样存在寿命问题特别是高温条件下寿命更短的问题。

输出滤波电容器与电路拓扑的关系

1、反激式开关电源的输出滤波电容器