450V大容量焊片式铝电解电容器的开发及 电性能改进研究

0   引言

铝电解电容器的基本结构和内部结构分别如图1 和图2 所示，主要包含由阳极箔、阴极箔、电解纸和电解液组成的芯子，及用引线条将芯子和盖板连接，再封装入铝壳。

有关新型电容器开发的文章可以参考^{[1]和[2]；[3]}对电容器的设计和工艺进行控制；^[4] 是用于逆变器的铝电解电容器的改进的SPICE 模型，文章对电容器的ESR，阻抗等性能进行了表述；^[5]和[6] 均介绍了改进大容量铝电解电容器散热方面的进展；预估铝电解电容器的ESR 性能在文章^[7] 中采用Sinosoidal PWM 方法；^[8]~[11] 等一系列文章都对铝电解电容器的寿命测试进行了评价，或者提出了预估寿命的模式。

一直以来，高电压、大容量的铝电解电容器的开发难度都比低电压、小容量的电容器要大。像SMD( 片式)、引线式的铝电解电容器都属于低电压、小容量的电容器产品，直流寿命、纹波寿命试验往往能承受较高的温度。有些在温度为125 ℃的直流寿命试验能经受住8 000 h 甚至是10 000 h 以上的时间。而随着铝电解电容器额定电压的升高，其阳极箔的化成电压也要提高得更多，相应的比容就下降，而比容的下降就意味着相同容量下的电容器体积增加，这给生产工艺、测试都带来了难度。^[12]同时要选用合适的电解纸以保证良好的吸收率和绝缘性能。电解液的配置也要保证能满足高电压下良好的导电性能。而另一方面为保证高电压下的电化学稳定性，所有的原材料包括阳极箔、阴极箔、电解纸、电解液^[13]、盖板、铝壳，在制作电容器前都要检测杂质的含量，特别是氯离子、金属离子、硫酸根离子的含量，因为即使有很少量杂质的引入，都会使铝电解电容器在使用过程中发生电化学腐蚀，最明显的表现是在引线条处发生腐蚀，从而使电性能失效。

1   新产品的设计考量

1.1 新设计的产品要达到的要求

新设计的产品预期达到的性能见表1。

表1 试验产品基本性能

1.2 等效串联电阻ESR的影响因素及公式

等效串联电阻指等效串联电路的电阻分量。ESR 值取决于频率和温度，并与损耗角正切有关，相关公式如下：

ESR = 等效串联电阻

Tan& = 损耗角正切

Cs = 串联电容量

ESR 除了与损耗角正切和串联电容量有关外，电容器内部的设计也有着直接的影响。采用多对引线条会比单引线条的ESR 值低许多，另外，选用不同的阳极箔、电解液、电解纸的配合，也能明显降低ESR。

2   产品设计特点

2.1 露阴极结构

首先我们来讨论一下纹波电流的计算公式，及450 V、2 500 μF 电容器估算出来的纹波电流值：

这里频率f 取120 Hz；散热系数取2×10-3；面积S取DH≈ 157 cm²；温升△ t 取5 ℃损耗角；Tan& 取0.03；纹波电流I 计算得9.93 A。

因此得到所设计的电容器在120 Hz 下，在预计温升在5 ℃以内时，能承受的纹波在9.93 A。当然，如果需要满足更大的纹波电流值，可以将电容器内部的芯子结构改成露阴极结构, 这样由于芯子底部露出来的阴极能直接接触到铝壳的底部，使正常工作的铝电解电容器由于芯子发热产生的热量一部分能通过阴极传导到铝壳，从而达到散热的目的。或者采用多对引线条结构，这样可以降低ESR，使芯子降低了由于内部电阻发热产生的热量。或者采用较好的电解纸、阳极箔、电解液等材料，使其提高能承受的温升范围。

2.2 三对引线条

为增加阳极箔、阴极箔到引出端的接触面积，我们也对电容器采用两对引线条和三对引线条分别作了比较。试验证明采用三对引线条的电容器的ESR 和损耗角正切均比两对引线条的电容器要低。这使得三对引线条的电容器的直流寿命和纹波寿命产生的温升比较低，对产品的寿命是有益的。

2.3 芯子填充率的计算

要判断所设计的电容器的芯子的体积有多大，及适用什么样外径和壳号的电容器，需要计算芯子的填充率。以下公式是芯子填充率的公式。

l 为阳极箔开片长度

阳极箔比容Ca 取0.5 μF/cm²

阴极箔比容Cc 取100 μF/cm²

阳极箔宽度W 取9.5 cm

由此可计算开片长度为528.9 cm。

Dw 为芯子直径

阳极箔厚度da 取0.011 cm

阴极箔厚度dc 取0.002 cm

电解纸1 厚度dp₁ 取0.002 cm

电解纸厚度dp₂ 取0.005 cm

由此可计算出芯子直径为4.27 cm。

铝壳直径D_铝取5.0 cm

由此，可计算出芯子填充率为73%。

当芯子的填充率≥ 1 时，表明芯子外径大于铝壳的内径，芯子就无法装入铝壳内部。当芯子的填充率远小于1 时，表明芯子外径比铝壳的内径小很多，这样也不好，使得内部有大量的空间浪费掉了。所以需要选择合适的阳极箔、阴极箔和电解纸，控制芯子的填充率在合适的范围内。

2.4 不同电解纸与电解液配合的引入

在容量不变的条件下，在铝电解电容器的设计过程中，选用吸水性好、低ESR 的电解纸，选用高导电率的电解液，都可以明显降低电容器的损耗角正切，从而降低ESR 值。本次试验中涉及的电解纸有四种不同的设计方案，电解液采用了两种不同的设计方案。由以下比较均可以看出不同的原材料对电容器的ESR 值都有影响。

2.5 加厚的铝壳与盖板能承受更高的内部压力

在铝电解电容器的所有测试项目中，纹波寿命或者直流寿命是检测电容器性能好坏的重要项目之一，也是电容器最容易失效的测试项目之一。而电容器主要的失效表现有内部发生腐蚀，爆炸，盖板漏液，盖板裂，铝壳漏液，铝壳防爆阀开启等。

所以在铝电解电容器的设计中，合理地选择铝壳的防爆阀压力、铝壳的厚度、盖板的材质、盖板的厚度，都可以从一定程度上减少由铝壳，盖板引起的失效。

3   结语

3.1 竞争者与自行设计的两款内阻ESR和阻抗Z的不同温度不同频率比较图

图3 和图4 所示是竞争者与我司自行设计的两款产品在120 HZ 频率下不同温度下的ESR 和阻抗值比较，由图可以看出我司设计开发的电容器产品的ESR 和Z性能均与竞争者的产品相似。

图5 和图6 所示是测试的电容器在不同频率和不同温度下的ESR 值和阻抗值的比较，可以看出电容器的ESR 值与温度的增加成反比关系，与频率的增加也成反比关系。而阻抗Z 与温度的增加和频率的增加也成反比关系。

值得一提的是，随着频率的继续增加，当频率达到10⁵ 到10⁸ 以上时，阻抗会随着频率的增加而增加。如图7 所示是某一特定容量和电压的阻抗与频率，温度的关系曲线如图7 所示。

3.2 2对和3对引线条的ESR在不同频率的比较

图8 的设计3 和设计4 是电容器分别采用2 对引线条和3 对引线条在20 ℃下和不同频率下测得到ESR 的比较。可以看出当引线条的对数增加，使引线条与铝箔间的接触面积增大，也进一步减少了接触电阻，所以产品的ESR 是逐渐降低的。

3.3 四种设计的直流寿命试验，及前两种的纹波寿命试验比较

图9、10、11、12 是四种设计(2 种电解液，2 种电解纸)的电容器在95 ℃直流寿命试验的结果，并根据测试结果制作的容量、损耗、ESR 和漏电的比较图。试验每隔1 000 h 记录一次数据，直到3 000 h。由图可以看出，设计5 和设计6 的损耗角正切和ESR 值在试验前后都很稳定，均能很好地满足产品的性能要求，ESR 初始值都在20 mΩ 左右，特别是设计6，在经过3 000 h、95 ℃直流寿命试验后，ESR 值仍然维持在40 mΩ 左右。

图13、14、15、16 是采用两种不同电解液设计的电容器进行的85 ℃纹波寿命的试验结果，并根据试验结果制作的容量、损耗、ESR 和漏电流的比较图。试验每隔500 h 记录一次数据，直到3 000 h。由图可以看出设计5 的各项电性能参数要明显好于设计6，例如设计5 的容量变化要比设计6 稳定，设计5 的损耗角正切和ESR 值均明显比设计6 要低。

3.4 不同电解纸的浪涌比较

表2 是原材料采用两种不同电解纸设计分别进行浪涌试验后的电性能参数的比较。由表2 可以看出，在经过了1.1 倍的额定电压充放电1 000 次后，容量、损耗角正切和漏电流的变化均不明显，电性能数值仍能满足初始时设定的要求。

3.5 灌密封胶与不灌密封胶的振动试验比较

表3 是在芯子装到铝壳后封口前，分别采用灌密封胶与不灌密封胶的电容器产品做振动试验的电性能参数的比较。由表3 可以看出灌密封胶的产品稳定性比较好，能经受住频率范围10~55 Hz，振幅0.75 mm，持续时间6 h 的测试。而未灌注密封胶的产品在振动试验全部都失效。这也是为什么当制作高电压和大容量的铝电解电容器时，为了使大体积的电容器满足振动的要求，需要在封口前对铝壳内灌注密封胶起固定作用。像大体积的螺钉电容器均采用灌密封胶的工艺。

表3 有与没有密封胶的振动测试

4   结语

由试验结果可以看出，针对高压大容量的铝电解电容器的开发，^[14] 从设计上考虑为了满足大纹波电流的应用要求，可以增大阳极箔的接触面积，将芯子结构做成露阴极的以增加散热。为了降低电容器的ESR，可以考虑增加引线条的对数，采用低ESR 值的电解纸，采用合适的电解液。并将我司开发的低ESR 电容器与竞争者分别进行了ESR 和阻抗在不同频率、不同温度下的比较。

在95 ℃、3 000 h 直流寿命测试，和85 ℃、3 000 h纹波寿命测试中，采用初始值具有较低ESR 和损耗角正切的设计制作出来的产品，在试验中产生的温升也就相应降低，这在一定程度上延长了电容器的寿命。3 000 h寿命试验后的产品的电性能都表现良好。最后测试了电容器的浪涌和振动，发现灌密封胶对于稳定铝壳内的芯子有很直接的影响，灌密封胶的产品均能通过振动试验。浪涌试验都合格，且不同的电解纸对浪涌的影响不大。

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年1月期）