铝电解电容的失效分析.doc

-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：1401500C； 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，希望比拟长的时间：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：根本依据为"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拟大的纹波电流时不一定适用。 简单寿命推算方法2 国产*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 根本思路 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： 5.16其中I和RESR分别为：纹波电流A和等效串联电阻。由于发热引起的温升为： 5.17 其中T、I、A、RESR、H分别为：电容器中心的温升0C、纹波电流A、电容器的外表积cm2、ESR、散热系数1.52.0×10-3W/cm2×0C。 公式5.17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，与电容器的外表积成反比，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T值的大小，一般情况下，T<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： 5.18 其中，L、L0、K、T0、T、T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*围内，K=4时为超过纹波电流*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5.18式得到，如下： 5.19 其中，L0、T0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5.18和式5.19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5.19改为： 5.20 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5.17存在的问题就是散热系数确实定，生产厂商不给出用户就无法准确计算，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，可以利用下表列出说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*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5.17到式5.20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 如果想得到比拟准确的推算结果，最好的方法是利用电容器生产厂商所给的温度寿命曲线。比拟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。假设IRMS由屡次谐波构成，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"，假设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？85264V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380420V，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；85264V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23倍！大约为1520mA/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0.50.7A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1.7A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，至少要到达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根本要求： 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0.25，在50KHz时的容抗为3.18m，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反激式开关电源的输出整流二极管的电流波形输出滤波电容器的电流波形相关公式 流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系： 流过输出整流器的有效值电流与峰值电流的关系： 流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系：输出整流器的最大导通占空比约为0.5输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系 有效值电流与输出电流平均值的关系为： 设计实例与分析 *反激式开关电源的技术参数为： 电路图拓扑：反激式； 输入电压：85264VAC； 工作频率：65KHz； 输出：12V/5A；纹波电压：50mV；CLC滤波。 第一级滤波电容器的选择 对于输出电流5A对应的峰值电流为20A、有效值电流为14.14A，其中大局部流入滤波电容器。按最高温度的纹波电流2倍选用电容器，滤波电容器的纹波电流之和至少要7A。 25V/1000uF低ESR铝电解电容器的额定纹波电流约为1A，需要7只并联。如果非要5只并联甚至4只并联，也是可以运行的，但是不具有长期可靠性。 250C温度下，25V/1000uF低ESR铝电解电容器的ESR约为0.09。7只并联对应的ESR为129m、5只并联为180m、4只并联为225m。由电流变化在ESR上产生的峰值电压分别为2.59V、3.60V、4.50V。除此之外，滤波电容器的ESL还会在整流二极管开通时由于电流的跃变而产生感生电势，这个感生电势同样会加到滤波电容器上，因此，滤波电容器上的峰值电压将不只是上述的2.59V、3.60V、4.50V。电压波形如图 第二级LC低通滤波器的设计与参数选择 第二级需要考虑的是如何将不能满足要求纹波电压经过LC滤波使其满足要求。通常滤波电感可以选择30100uH，输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑拟制负载电流的变化，在这里可以选择1000uF/25V。 2、正激式开关电源的输出滤波电容器 包括单端正激开关电源和桥式、推挽式开关电源。 单端正激开关电源由于是电感输入式滤波方式，流入滤波电容器的电流远小于反激式开关电源。 在开关频率为50KHz或以下时，可以按每输出1A电流4701000uF考虑。 更高的频率时，主要考虑的是输出滤波电容器能否满足对纹波电压和尖峰电压的要求。这时滤波电容器的ESR将成为更主要的参数。 4、各类铝电解电容器可以承受的纹波电流 5、结论 开关电源输出滤波电容器首先需要考虑电路拓扑与流过电容器纹波电流的关系； 滤波电容器必须能够承受纹波电流； 滤波电容器的ESR决定滤波效果。 五、铝电解电容器的失效 铝电解电容器失效模式及其失效因素。 铝电解电容器正级、负极引出电极和外壳都是高纯铝，铝电解电容器的介质是在正极外表形成的三氧化二铝膜，真正的负极是电解液，工作时相当一个电解槽，只不过正极外表的阳极氧化层已经形成，不再发生电化学反响，理论上电流为零，由于电极与电解液杂质的存在，会引起微小的漏电流。从现象上看，铝电解电容器常见的失效现象与失效模式有：电解液干涸、压力释放装置动作、短路、开路无电容量、漏电流过大等。 铝电解电容器应用环境 如果铝电解电容器在质量上没有问题，失效问题的出现就是出现在应用环境中。铝电解电容器设计应用环境主要有：环境温度、散热方式、电压、电流参数等。对电容器的应用者而言，短路、开路属于"灾难性的失效，或曰"致命的失效，使其完丧失了电容器的功能。其他几类失效模式即由第二类因素造成的失效，一般归为"劣化失效，或曰"耗尽失效。 耗尽失效1 通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定初始值的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈，铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补被杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期，由于电解液挥发而减少，粘稠度增大的电解液就难遇充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔外表上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，即阳极、阴极铝箔容量减少，引起电容量急剧下降。因此，可以认为铝电解电容器的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。 耗尽失效2 由于应用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器工作在整流滤波包括开关电源输出的高频整流滤波、功率电炉的电源旁路时的纹波或称脉动电流流过铝电解电容器，在铝电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。 当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时，电阻率因粘稠度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显上升，损耗角增大。例如对于105度工作温度的电解电容器，其最大芯包温度高于125度时，电解液粘稠串联电阻会产生更大热量，造成电解液的更大挥发。如此循环往复，铝电解电容器容量急剧下降，甚至会造成爆炸。 耗尽失效3 漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。 应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加 压力释放装置动作 为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸，直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力释放装置，这些压力释放装置在铝电解电容器爆炸的危险压力前动作，泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作，铝电解电容器即宣告失效。 铝电解电容器压力释放装置 电化学过程导致压力释放装置动作 铝电解电容器的漏电流就是电化学过程，前面已经详尽论述，不再赘述。电化学过程将产生气体，这些气体的聚集将造成铝电解电容器的内部气压上升，最终到达压力释放装置动作泄压。 温度过高导致压力释放装置动作 铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高，如铝电解电容器附件有发热元件或整个电子装置就出处在高温环境； 铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容内部压力急剧升高时压力释放装置动作。瞬时超温 通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低100C，其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心，是电容器内部最热的点。可是，当电容器升温接近其最大允许温度时，对于大多数型号电容器在1250C时，其电解液要受到电容器芯包的排挤driven，导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下，瞬时超温或过电流可以使ESR永久性的增大，从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警觉瞬时超温发生的可能，还要额外注意铝电解电容器的冷却。 瞬时过电压的产生 上电冲击 上电过程中，由于滤波电感释放储能到滤波电容器中，导致滤波电容器的过瞬时过电压。 上电过电压示意图 电容过电压失效的防* 电容器在过压状态下容易被击穿，而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。 选择承受瞬时过电压性能好的铝电解电容器，RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值参数。 六、购置铝电解电容器需要注意的问题 防*质量陷进！ 不要应用来路不明的铝电解电容器1 为什么不要应用来路不明的铝电解电容器？最根本的原因是我国的电子元件市场曾经历过拆机件、水货、假货充满市场情况。随着时代的开展，这种现象越来越少。 但是需要注意的是，半导体器件是尚可用拆机件，而铝电解电容器绝不能应用拆机件！原因是铝电解电容器的寿命在各类电子元件中寿命是最短的。国外报废的电子产品的拆机件中，铝电解电容器的剩余寿命是最少的。如果仅仅是做实验还能勉强，如果试作产品，其结果是可想而知的。差一页 不要应用来路不明的铝电解电容器2 套膜是伪劣铝电解电容器"翻新的常用手法。通常将买来的铝电解电容器套上升两档标注额定电压的新套膜热缩管，其印刷水平可以以假乱真。 铝电解电容器的"偷电压 由于铝电解电容器的浪涌电压是额定电压的1.15倍，对于350V耐压的铝电解电容器的浪涌电压为402V，高于220V+20%对应的整流峰值电压370V：而对于300V额定电压的铝电解电容器的浪涌电压为345V，可以满足243V交流有效值输入电压。如果用额定电压300V的阳极箔替代额定电压400V的阳极箔将会大大降低铝电解电容器的本钱。有的铝电解电容器生产厂商就是采用这种"偷电压的方法降低生产本钱。 偷"电压的后果 在一般的应用中，为了防止过大的漏电流，延长铝电解电容器的寿命，通常要降低铝电解电容器的使用电压，一般取0.9以下。 如果选用了偷"电压的铝电解电容器就将已经留出的电压充裕量丧失殆尽，甚至可能使工作电压超过额定电压，这就使漏电流大大增加，从而大大的减少了铝电解电容器的寿命。拆机件 拆机件通常是国外报废的电子设备上的元件，如果的拆的精心，多数器件经过筛选在一般性能上看还是可以用的。唯有铝电解电容器是绝对不能用的。 其原因是，铝电解电容器的寿命相对而言太短了，在额定温度下仅10004000小时，尽管大多数铝电解电容器生产厂商宣称在400C可以用10年甚至几十年，但是应用环境是不可预知的，如显示器的内部温度远远不止450C！因此，几年下来，铝电解电容器所剩下的有效寿命一般很低，不能用于电子产品。 翻新铝电解电容器 翻新铝电解电容器也比拟恶劣，通常是收集国外下线铝电解电容器，重新浸电解液后封装。尽管国外著名铝电解电容器检测比国内严格，有些下线的铝电解电容器性能还是接近于国内正品率电解电容器。但是，其性能还是不如国内正牌铝电解电容器。 下线电容器一 在国内电子市场上可以看到下线铝电解电容器，通常是一些不负责任的销售商为了获得市场竞争力，到铝电解电容器生产厂收购下线铝电解电容器，剔除没有电容量和击穿的，拿到市场上销售。 下线铝电解电容器的特点是，用万用表测试电容量是正常的。但是如果测试漏电流和损耗因数高于正品铝电解电容器。而漏电流和损耗因数用户一般是不测试的。 下线电容器二 这种下线的铝电解电容器作为耦合电容器时会导致后级的偏置电压偏移，但是又找不出原因；如果用于延迟应用时，会出现延迟时间明显小于设定值或延迟时间不稳定的现象，这是因为铝电解电容器在施加直流电压后漏电流回见效的原因。 由于下线铝电解电容器的漏电流大，实际寿命明显短于预期寿命，例如预期寿命为5年，实际上只有2-3年。这在电子产品的使用初期是根本看不到的。从这里也会看到9000系列质量认证的重要性。 如果下线铝电解电容器用在大纹波电流或高温的应用是极其危险的，其原因是过高的漏电流会导致铝电解电容器在大纹波电流或高温应用时的温度更高，轻者寿命缩短，严重时会导致铝电解电容器"爆浆而失效。 套膜电容器 套膜是伪劣铝电解电容器"翻新的常用手法。通常将买来的铝电解电容器套上升两档标注额定电压的新套膜热缩管，其印刷水平可以以假乱真。例如将额定电压250V的铝电解电容器换上额定电压400V的铝电解电容器，这样的铝电解电容器的"价值将翻番甚至更高。套膜铝电解电容器之制造就是利用了通常要电压降额的习惯，在电压降额后可能正好是套膜铝电解电容器的浪涌电压值，在这个电压下，套膜铝电解电容器还是能用一段时间的。 国外电解电容器厂商的问题 有的国外铝电解电容器制造商在为兴旺国家供货时是优质电解电容器。 而为我国供货时的电容量总是负偏差，其质量不如兴旺国家供货的品质。 其原因除了有歧视我国外，最主要的是在我国，它们的铝电解电容器卖不出价格，智能在偷电容量上补偿。 为了降低在我国市场的售价，国外铝电解电容器生产厂商往往推出的是寿命相对端的"经济型铝电解电容器，如CDE就转为我国推出2000小时的铝电解电容器，这时在欧美市场上看不到的，因此，不要以为国外的铝电解电容器寿命都长。 测试铝电解电容器耐压的简单方法 可能性：铝电解电容器的介质膜是通过阳极氧化方式获得，因此，短时间的小电流"击穿不会损坏铝电解电容器。 根本方法：将铝电解电容器串联一10K电阻：缓缓增加所施加的电压，保持充电电流在1mA以下对应电阻上的电压低于10V，直到即使不继续增加所施加的电压电流仍不降低时对应的电压就是电解电容器的击穿电压；这个电压的90%就是电解电容器的额定电压。 这种方法只适用于铝电解电容器。 测试电路 购置铝电解电容器的准则 到具有信誉的铝电解电容器生产厂商处或到有信誉的著名铝电解电容器制造商的代理机构购置。尽量不要到电子市场或信誉缺乏的代理机构处购置。. z.