介紹

1電容和體積

由于大部分電解電容采用卷繞結構，容易擴大體積，所以單位體積的電容很大，比其他電容大幾倍到幾十倍。但是，大電容的獲得是以體積的擴大為代價的?，F代開關電源要求效率越來越高，體積越來越小。因此，有必要尋求新的解決方案來獲得具有大電容和小體積的電容器。

一旦有源濾波電路用于開關電源的原邊，鋁電解電容器的使用環境變得比以前更加惡劣:

(1)高頻脈沖電流主要是20 kHz~100kHz的脈動電流，且大幅增加；

(2)變流器主開關管發熱，導致鋁電解電容器環境溫度升高；

(3)升壓電路多用于變換器，所以需要高壓鋁電解電容。這樣以前的技術制造的鋁電解電容器，因為要吸收比以前更大的脈動電流，所以不得不選擇大尺寸的電容器。結果，電源體積龐大，難以用于小型化的電子設備中。為了解決這些問題，有必要研究和開發一種新型的電解電容器，這種電容器體積小，耐高電壓，并允許大量高頻脈沖電流流過。另外，這種電解電容器，在高溫環境下工作，工作壽命長。

2承受溫度和壽命。

在開關電源的設計過程中，選擇合適的電容是不可避免的。就100μF以上的中大容量產品而言，鋁電解電容器因其價格低廉，至今仍被廣泛使用。但* *近年來變化明顯，避免使用鋁電解電容器的情況越來越多。造成這種變化的一個原因是鋁電解電容器的壽命往往成為整個設備的薄弱環節。功率模塊廠家的工程師說:“對于鋁電解電容器，壽命有限，如果能用就盡量不要用?！币驗殇X電解電容器內部的電解液會蒸發或產生化學變化，靜電容量降低或等效串聯電阻(ESR)增大，隨著時間的推移，電容器性能肯定會變差。

電解電容器的使用壽命與電容器長期工作的環境溫度直接相關。溫度越高，電容器的使用壽命越短。普通電解電容器在環境溫度為90℃時已經損壞。然而，環境溫度高的電解電容器種類繁多。當環境溫度為90℃，通過電解電容器的交流電流與額定脈沖電流之比為0.5時，使用壽命仍為10000小時。但是，如果溫度上升到95℃，電解電容就會損壞。因此，在選擇電容器時，應根據具體的環境溫度等參數進行選擇。如果忽略環境溫度對電容器壽命的影響，電源的可靠性和穩定性將大大降低， 甚至會損壞設備和儀器。一般來說，電解電容器在80℃的環境溫度下工作時，一般能滿足10000小時壽命的要求。

3頻率特性和阻抗

對于中小輸出功率的開關電源，除了少數因價格限制仍使用20~40kHz外，大部分都在50kHz以上；大多數DC/DC功率模塊都在300kHz以上；大功率開關電源的開關頻率受主開關(一般為IGBT)開關速度的限制，一般為20~40kHz。雖然開關頻率不同，但開關電源輸出整流濾波電容的作用基本相同，主要是吸收開關頻率及其高次諧波頻率的電流分量，濾除其紋波電壓分量。

從圖中可以看出，隨著頻率的增加，容抗減小，感抗增大。容抗與感抗相等并相互抵消時的頻率就是鋁電解電容器的諧振頻率。此時阻抗為* * *，只剩下ESR。如果ESR為零，此時的阻抗也為零；頻率繼續上升，感抗開始大于容抗。當感抗接近ESR時，阻抗頻率特性開始上升，這是感性的。從這個頻率開始，電容器就是一個電感。由于制造過程，電容越大，寄生電感越大， 諧振頻率越低，電容器的電感頻率越低。這就要求它在開關穩壓電源的工作頻帶內具有較低的等效阻抗。同時對于半導體器件開始工作時產生的高達數百千赫茲的峰值噪聲也能有很好的濾波效果。一般普通電解電容在低頻時的阻抗在10kHz左右，其阻抗開始出現電感，不能滿足開關電源的要求。

開關穩壓電源輸出整流用電解電容的阻抗頻率特性要求在300kHz甚至500kHz時不呈上升趨勢。電解電容ESR低，能有效濾除開關穩壓電源中的高頻紋波和峰值電壓。而普通電解電容在100kHz后開始呈現上升趨勢，對開關電源輸出的整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發現，普通CDII中用于開關電源輸出濾波的4700μF，16V電解電容的紋波和峰值不低于CD03HF 4700μF，16V高頻電解電容，普通電解電容的溫升相對較高。當負載突變時， 普通電解電容的瞬態響應遠不如高頻電解電容。

為了提高開關電源的效率，工作頻率一直在提高，特別是在小型高輸出開關電源中，輸入濾波電容要求在輸出端具有高紋波和低阻抗。為了使輸出濾波電容在高頻時具有低阻抗，必須降低等效串聯電阻。

4、紋波電流容差

表1不同開關轉換器電路拓撲下整流器和濾波器的紋波電流和開關電流

就平板電視而言，為了承受大電流，需要進一步降低電容的ESR。原因是在數字設備中，隨著功能的增加，電路的電流有增加的趨勢。對于液晶電視中MPEG編解碼的圖像處理電路，2006年一個芯片中電源電路的電流在3A左右。據相關人士預測，在增加電路規模以滿足全H D的要求后，芯片中的電流將增加到5A左右，2008年左右將達到8A~9A。

如果ESR很小，當大電流流過時，電容器的輸出電壓幾乎不會降低。隨著電流的增加而降低ESR的要求可能是促進電容器更換過程的主要原因。與鋁電解電容器近1ω的ESR相比，多層陶瓷電容器的ESR非常小，小于10mΩ。導電聚合物電容器的ESR通常為數十mω，ESR小于10mΩ。鋁電解電容器也在開發ESR比較小的產品，大概是一般產品的1/2~1/3。

5、可靠性水平

開關電源是一種具有開關控制的DC穩壓電源，因其體積小、重量輕、效率高而廣泛應用于各種通訊設備、家用電器、計算機及其終端設備中。作為具有輸入濾波平滑功能的鋁電解電容器，其質量和可靠性直接影響開關電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會導致開關穩壓電源失效。

開關穩壓電源用鋁電解電容器的失效模式包括擊穿失效、開路失效、漏液失效和電參數超差失效。其中，擊穿失效分為介質擊穿和熱擊穿。對于大功率、大電流輸出的開關電源中使用的電解電容，熱擊穿故障往往占一定比例。開關電源用鋁電解電容器的主要失效形式是鋁引出棒斷裂，電蝕導致電容器芯子干枯。漏液是開關穩壓電源用鋁電解電容器的常見故障形式。由于使用環境和工作狀態惡劣，經常發生漏液故障。開關電源中使用的鋁電解電容器的常見失效模式是電容降低， 增加漏電流和增加損耗角的正切值。

6.摘要

電解電容在電子電路中是必不可少的，隨著電子設備的小型化，越來越要求電解電容具有更好的頻率特性，更低的ESR，更低的阻抗，更低的ESL，更高的耐壓和無鉛，這也是電解電容未來的發展方向。采用鈮、鈦等新型介電材料并改進其結構，可以實現電容器的小型化和大容量化。通過開發新的電解液，優化工藝和結構，可以實現低ESR和低ESL，產品將向更高電壓方向發展。在快速發展的信息技術領域，電容器將永遠是關鍵元件之一，我們將通過應用新技術和新材料，繼續開發高性能電容器，以滿足信息時代的需求。