液态铝电解电容器
第一节 概述 .......................................................................................................................................... 1 第二节 物理特性 .................................................................................................................................. 2
1.1 铝电解电容器的结构与组成 .................................................................................................. 2 1.2 制作过程 .................................................................................................................................. 3 第三节 性能参数和测试方法 .............................................................................................................. 6
3.0 铝电解电容器的电路模型 ...................................................................................................... 6 3.1 电容量 ...................................................................................................................................... 7 3.2 等效串联电阻 ........................................................................................................................ 10 3.3 等效串联电感 ........................................................................................................................ 11 3.4 阻抗（Z） .............................................................................................................................. 11 3.5 损耗因数(DF) ........................................................................................................................ 12 3.6 纹波电流 ................................................................................................................................ 13 3.7 漏电流（DCL） ...................................................................................................................... 16 第四节 设计选择与应用 .................................................................................................................... 17
4.1 电压 ........................................................................................................................................ 17 4.2 电容器的串联 ........................................................................................................................ 18 4.3 寿命与可靠性 ........................................................................................................................ 19 4.4 电解电容器寿命的估算 ........................................................................................................ 21 第五节 失效模式与失效机理 ............................................................................................................ 22
5.1 失效模式 ................................................................................................................................ 22 5.2 自愈特性 ................................................................................................................................ 24 5.3 失效案例 ................................................................................................................................ 24 第六节 器件品牌 .................................................................................................................................. 24
6.1 muRata电容软件： .................................................................................. 错误!未定义书签。 6.2 AVX电容软件： ........................................................................................ 错误!未定义书签。 第七节 采用标准 .................................................................................................................................. 24 第八节 技术趋势 .................................................................................................................................. 25 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
第一节 概述
以阀金属铝正极,在其表面用电化学的方法形成氧化膜作为介质,用电解液作为负极,并紧密接触于氧化膜介质,用另一金属作为负极引出的电容器称为铝电解电容器。
优点：氧化膜有自愈作用，价格便宜，单位体积的容量大，大量应用于低频滤波中相对而言,电压可以做得较高些，钽电解、铌电解都做不到200V，铝电解在国外可以做到730V。
缺点：漏电流大，损耗大，频率特性差，不能承受低温和低气压，一般只能用于地面设备。
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器 件 应 用 指 南
各种电容器性能比较
各类电容器的主要应用场合
第二节 物理特性
1.1 铝电解电容器的结构与组成
铝电解电容器主要是由含浸有电解液的芯包(由阳极箔片、阴极箔片、电解纸卷绕而成)、引出端(通过引出条和阳极箔、阴极箔铆接在一起)、铝壳以及封口材料共同构成。各个部分的结构如图1所示。
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器 件 应 用 指 南
图1 电解电容器剖面图
图2 电解电容器的基本组成
看起来电容量是在两个金属箔之间，实际上是在阳极金属箔和电解液之间。正极板是阳极金属箔；电介质是阳极金属箔上的绝缘铝氧化物；真正的负极板是导电的液态电解质，阴极金属箔仅仅是连接电解液。 1.2 制作过程
图5示出了液态铝电解电容器的制作加工过程。主要分为腐蚀（Etching）、化成
图5 （液态铝电解电容加工过程 （Forming）、切割（Slitting）、卷绕Winding）、含浸（Impregnation）、组装（Assembly）、
老化（Aging）、加工出检（Processing）等七大步骤。
腐蚀
阳极和阴极金属箔是由高纯度的，很薄的只有0.02—0.1mm铝箔做成的。为了增加极板的等效面积并因而增加电容量，与电解液接触的表面积的增加是通过腐蚀（也称为蚀刻）金属箔，溶解铝来完成的，这样可使整个铝箔的表面形成一个高密度的网状的有几十亿个精细微管道的结构。 蚀刻技术是牵引在滚筒上的铝箔通过氯化物溶液，并且在蚀刻溶液和铝箔之间加AC，DC或AC&DC电压。表面面积对于低压电
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器 件 应 用 指 南
容来说可以增加100倍，对于高压电容来说可以增加20-25倍。
（a）表面视图
（b）剖面图
（a）表面视图
（b）剖面图
图6 低压电容器用腐蚀后的铝箔（Cubic Shape）
图7 中高压电容器用腐蚀后的铝箔（Tunnel Shape）
化成
阳极铝箔上附有电容器的电介质。电介质是一层很薄的铝氧化物（Al2O3），它是在阳极铝箔上化学反应生成的，这个过程叫“化成”。 化成的完成是通过牵引在滚筒上的阳极铝箔通过一个电解液池，并且在电解液池和铝箔之间施加持续的DC 电压，也就是化成电压，这个电压是最后电容器额定电压的135%-200%。化成电压决定铝氧化物的厚度，两者之间的关系大致为1.4~1.5nm/V。例如，一个450V的电容器的阳极箔的化成电压超过600V，氧化物的厚度大约是900nm，这个厚度还不到人头发的百分之一。化成显著地减小了铝箔的有效表面积，因为氧化物闭塞了部分的精细微管道。管道的蚀刻模式的调整是通过选择铝箔和蚀刻工艺进行的，低压电容器阳极有密集的管道模式对应薄的氧化物，高压电容器阳极有粗糙的管道模式对应厚的氧化物。阴极铝箔不用化成，它保持着很高的表面积和高密度的蚀刻模式。化成
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器 件 应 用 指 南
过程中，铝氧化膜的形成方式可以用如下电化学反应方程式表示：
2Al+3H2O→Al2O3+3H2 (Gas) ↑+3e- (Electron)
切割
铝箔的蚀刻和化成是在一个40-50cm宽的大卷上完成的，然后根据最终电容器的长度裁切成各种不同的宽度。
卷绕
电容元件的卷绕是在有轴的卷绕机上完成的，一层隔离纸，一层阳极箔，另一层隔离纸和阴极箔。这些被卷绕成圆柱形，用一个压力敏感的带子绑紧防止展开。这些隔离物的作用是防止铝箔之间接触形成短路，并在后来保留住电解液。在卷绕铝带前或卷绕铝带过程中为后来连接电容器端子附上箔。最好的方法是通过冷焊，把铝箔焊上带子，带子的位置在卷绕期间由微机控制，那样电容元件的电感可以低于2nH。老的附件的方法是通过立桩标界，一个方法是冲压整个带子然后折叠被冲压下的金属箔。冷焊可以减少短路失效，达到更好的高纹波电流性能和放电性能。
浸渍
将电容器元件注入电解液，去浸透纸隔离物并且渗透到蚀刻管道里。注入的方法可能会涉及到器件的浸入和真空压力周期的使用，不管使用或不使用加热，或者在小单元情况下仅仅是简单的吸收。电解液是根据不同的电压和工作温度范围而使用不同的配方成分复杂的混合物。电解液实际上就是电容器的阴极，电容器对电解液特性的要求有：1、必须具有很好的导电能力；2、在阳极氧化膜破损的情况下，它必须能够为铝氧化膜提供治愈能力；3、和阳极氧化膜、阴极氧化膜以及密封材料之间必须有足够的化学稳定性；4、需要有特别好的浸透能力。电解液的这些特性将会决定着电容器的各项性能指标。其主要成分是溶剂和导电性的盐——一种溶质——用来导电的物质。普通的溶剂是乙烯乙二醇（EG）, 二甲基的甲酰胺(DFM)和γ丁内酯（GBL）。普通的溶质是铵硼酸盐和其它的铵盐。EG典型应用于额定值为-20℃或-40℃的电容。DFM和GBL经常应用于额定值为-55℃的电容。
在电解液里水起很大的作用。水增加了导电性因此降低了电容的阻抗。但是它降低了沸点因而妨碍了高温性能，缩短了贮藏寿命。几个百分点的水是必要的，因为电解液要维持铝氧化物电介质的完整性。当漏电流流动时，水分解为氢和氧，氧被附着在阳极金属薄片上通过增加更多的氧化物来修复漏电位置。而氢通过电容的密封橡胶溢出。
组装
在完成浸渍后，需要对电容器做封口的动作，电容元件被密封在一个罐子里。尽管大部分的罐子是铝，石碳酸的罐子经常被用在马达启动器的电容上。为了释放氢，密封圈不是密闭的，它经常是压力封闭的，即将罐子的边沿滚进一个橡胶垫圈，
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器 件 应 用 指 南
一个橡胶末端插销或滚进压成石碳酸薄板的橡胶。在小电容中模子石碳酸树脂或聚亚苯基硫化物可以替代橡胶。太紧密封会导致压力增加，太松则密封会因为电解液的可允许的流失而导致缩短寿命。
老化
在此，电容完成了整个装配周期。最后的生产步骤是老化，即给电容加上高于额定电压但是小于化成电压的直流电压，通常是在电容的额定温度下加上电压的，但是也可能使用其它的温度甚至室温。这个步骤改良了在阳极薄膜上的剪切边缘和任何坏点，覆盖上任何未带铝氧化电介质的裸铝。老化可以减少或消除早期寿命失效（早期失效）。低的初始的直流漏电流就是有效老化的表征。
加工出检
在完成老化之后，一般还要根据客户的要求对电容器进行再加工，包括贴片封装形式电容器的塑胶底座安装，引线端子的特殊形状加工和切割，大尺寸电容器的固定装置安装等。在此之后厂商会依据标准规范以及测试要求对电容器进行检测，以保证产品的品质。
第三节 性能参数和测试方法 3.0 电路模型
当两个导电体用一个绝缘体隔离开，电容量就会产生。电容是一个电子器件被用来传递电容量。电容量以uF为单位计算公式如下：
图8 电容器的再加工
ε是电介质常数，S是极板面积（单位用cm2），d是极板间介质的厚度（单位用cm）。介质常数是同真空相比介质所能承载的电容量倍数的增加。对于铝氧化物介质常数大约是8。
图3 电解电容器的等效电路
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图4 简化的等效电路
器 件 应 用 指 南
图3给出了液态电解电容器的等效电路模型，考虑了阳极铝箔、阴极铝箔、铝极板上的氧化膜、电解液等组成部分对电容器参数的影响，同时电路中还模拟了铝电解电容器在正常操作和过电压以及反向电压时的行为。其中，R1表示电极和引出端子的电阻，R2表示阳极氧化膜和电解质的电阻，R3损坏的阳极氧化膜的绝缘电阻，D1具有单向导电性的阳极氧化膜，C1阳极箔的容量，C2阴极箔的容量，L电极及引线端子等所引起的等效电感量。
为了表述和计算的方便，图4给出了液态铝电解电容器的简化等效电路模型。电容C是等效电容量，随着频率的增加它会减少。一般电容量范围从1uF到1F。
电阻Rs是等效串联电阻值，随着频率和温度的增加它会减少。随着额定电压增加它会增加。典型值范围从10mΩ到1Ω，对于一个给定的额定电压Rs与电容量成反比。
电感Ls是等效串联电感量，它相对不受频率和温度的影响，对于径向引线的类型典型值范围是从10nH到30nH。电感Ls随端子空间的增加而增加。
电阻Rp是等效并联电阻，也称为绝缘电阻，它决定电容中的漏电流。其值随电容量，温度和电压的增加而减少，随时间的增加而增加。典型值用100/C MΩ来计算，其中C的单位是uF。
齐纳二极管D模拟过电压和反向电压的行为。高于电容冲击电压额定值50V的过压的应用会造成高漏电流和常压操作模式即很像齐纳二极管反向工作的情况。反向电压远远超过1.5V的应用将造成高漏电流很像二极管正向导通的情况。这些工作模式都不会保持很长时间因为由电容器所产生氢气的压力的积累将造成电容器损坏。
3.1 电容量
电容量是电容器最重要的参数，也是我们最关注的一个性能参数。在液态铝电解电容器的结构描述中知道，电容器实际上有阳极和阴极两个铝箔，外在表现的电容容量实际是阳极和阴极两个电容器串联所得到的结果。阳极铝箔所形成的电容器容量Ca可用下式来表示：
阴极铝箔上有一个阴极电容Cc，阴极铝箔上的电介质氧化膜是由化成电压，或者是在储存过程中自然形成的（这种情况下的电压一般在1V以下）。电容器外在表现的电容量可以表示为：
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器 件 应 用 指 南
标准电容器的容差是±20%(M)，但是在特殊场合应用时也有±10%(K)的容差。铝电解电容器的容量会随温度和频率的变化而改变，测试标准规定容量要在120Hz、常温条件下测试。
AC和DC电容量
电容量可以通过测量电容器的交流阻抗（需要考虑幅度和相位）或者通过施加直流电压测量电容器的充电电荷量来获取，两种方法获得的电容量会有所不同。一般来说，用直流电压所测到的直流电容量要比用交流电压测试所得到的交流电容量要大。直流电容量大约是交流电容量的1.1~1.5倍，这种偏差对于低压电解电容器表现的更为突出。在多数应用场合中，比如滤波和耦合，最关注的是交流电容量。
额定电容量CR
额定电容量是交流电容量的容值，被标示在电容器表面上的电容量也是这个容值。额定电容量的测量会参照相关的国际标准，比如IEC-60384-1、IEC-60384-4。
电容量公差
电容量的公差是指可允许电容量的最大值和最小值，用相对于额定电容量的百分数的增加和减少来表示，即ΔC/C。液态铝电解电容器典型的电容量公差是±20%，-10%+50%和-10%+30%，±10%。 图9是公差与其字母表示方法的对比表。比较小的公差在高压电容中比较容易得到，比如高于150V的电容，但是公差小于±10%一般达不到。主板上所使用的低压电容器公差一般是±20%。值得注意的是比较小的公差的器件可以符合其它的公差的需要，很容易替代。电容量是随温度和频率而变化的。这个变化的本身是依赖于额定电压和电容尺寸，但是这个公差是标准测试条件下所允许的公差。
电容量的温度特性
电容量随温度的变化而变化，温度是影响电容量的一个很重要的量，这种变化趋势可参考图10。由于温度的下降，电解液的粘度增加，导电性能下降，导致电容量下降。这个变化的本身在某种程度上就依赖于额定电压和电容的尺寸的。从25℃到温度最高限电容量的增加量一般要小于5%。对于额定温度为-40℃的电容，低压电容器在-40℃时电容值一般可下降20%，高压电容器的容量一般下降40%。大多数电容器的容量下降现象出现在-20℃和-40℃之间。对于额定温度为-55℃的电容，在-40℃时电容值的下降量一般小于10%，在-55℃时一般小于20%。需要特别说明的是
图9 电解电容器容量公差的表示
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器 件 应 用 指 南
这种电容量随温度变化的现象在交流电容量上表现得比较明显，在直流电容量上表现得就没有那么明显。
电容量的频率特性
等效电容值随频率的增加而降低。根据电容量自谐振频率一般低于100kHz。在自谐振时，器件是阻性的，超过它器件是感性的。端子的类型（比如轴向，径向，螺丝端子）将影响电感特性。小的径向端子的电容有小于20nH的电感。大的电容根据端子空间有更大的电感量。
图11 电容器的容量随频率的变化关系 - 9 -
（a）低压电容器情况
（a）高压电容器情况 图10 电容量随温度的变化曲线
器 件 应 用 指 南
电容量的测试
对于铝电解电容，是在20±2℃时测试在一个测量桥式电路中等效串联电路中的电容量作为电容量，测量桥式电路用120Hz±20%没有谐波含量最大AC信号电压为1Vrms没有正向偏置电压的电源来供电，这是因为一般情况下工频交流电经过整流之后所得到的频率是120Hz，而且这个微弱的交流信号不会使电容器反向击穿。主板上所使用的低压液态铝电解电容器测量时为了保证电容器始终承受正向电压，使用的是+1.5~2.0V.DC叠加交流0.5Vrms电源的方式测量。
3.2 等效串联电阻
等效串联电阻（ESR）是一个单一的电阻值，它代表了电容中所有的与电容相串联的欧姆损耗。 电解液的电阻是铝电解电容器等效串联电阻（ESR）的主要部分。低等效串联电阻的铝电解电容器实际上是采用了低电阻率的电解液。
ESR的温度特性
由于电解液的电阻是铝电解电容器ESR的主要部分，而且绝大部分电解液的电阻率随温度的上升而减小，因而ESR随温度的增加而降低。从25℃到最高温度限ESR大约降低35%~50%。但是在最低温度现时ESR的增加在极限情况下可能超过10倍。对于额定温度为-20℃或-40℃的电容，在-40℃时ESR的增加可能超过100倍。
ESR的频率特性
图12 ESR随温度的变化关系曲线
ESR随频率而变化，在低频时ESR随着频率的增加而稳定地下降，在谐振频率处跨越到固定的ESR，谐振频率与电容量成反比。谐振频率的典型值小于100kHz。高电容量的电容的ESR随频率的增加变化很小，因为较高的电容量，其谐振频率较低。
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图13 ESR随频率的变化关系曲线
器 件 应 用 指 南
ESR的测量
对于铝电解电容，是在25℃时测试在一个桥式电路中等效串联电路中的电阻值作为ESR的值，测量桥式电路采用有效值为1V的最大交流信号电压和无正向偏置电压的120Hz电源供电。一般情况下，电容器的ESR在电容器参数表中不会给出来，这是因为120Hz下液态铝电解电容器的ESR较大。但是电容器的性能参数表都会给出100KHz下的阻抗值，而液体铝电解电容器的谐振频率点一般是在100KHz左右，所以所给100KHz条件下的阻抗值可以近似认为是这个条件下的ESR。对于ESR较低的液体铝电解电容器（如Rubycon的MBZ系列电容器），为了充分展示电容器在这方面的优越性，电容器生产厂商一般采用20℃、100KHz的条件来测量ESR值。
3.3 等效串联电感
电容器的等效串联电感（ESL）是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的，等效串联电感对于频率和温度相对独立。对于径向引线封装的电容器，其典型值的范围是10nH~30nH；对于螺丝端子类型的电容器，其典型值的范围是从20到50nH；对于轴向引线类型的电容器，其典型值高达200nH。
3.4 阻抗（Z）
铝电解电容的阻抗实际上是阻抗的幅值，它是在一个给定的频率下电压与电流的比值，它与电容的电容量，ESR以及串联电感有关，如下所示：
Z=
Z是阻抗（单位为Ω），ESR是等效串联电阻（单位为Ω），f是频率（单位为Hz），C时电容量（单位为F），L是等效串联电感（单位是H）。
Z的温度特性
Z随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。从25℃到最高温度限阻抗的减少量通常小于5%，但是在最低温度限时阻抗的增加高达10倍。
Z的频率特性
阻抗的频率特性由容性阻抗（1/2лfC），感性阻抗（2лfL），和在电解液中的电阻损耗所决定。在低频段容性阻抗（1/2лfC）起主要作用，电容器阻抗表现为容性；
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器 件 应 用 指 南
当频率达到自谐振频率点时阻抗最低，在这个频率上阻抗值等于ESR；到高频段感性阻抗（2лfL）起主要作用，电容器的阻抗表现为感性。
Z的测量
对于铝电解电容，是在25℃时测量在一个测量桥式电路中等效串联电路中的阻抗幅值作为Z，测量桥式电路是用从10Hz到100kHz的可变频率没有谐波含量且AC信号电压为1Vrms，没有正向偏置电压的电源来供电。阻抗的测量主要是为了得到典型的性能曲线以及最低温度下的阻抗。 对于低温阻抗的测量，把电容放在一个恒温箱内，温度设在低温限的±2℃。在120±5Hz下使用任何能够提供精度为±20.5%的合适方法来测量阻抗。当温度稳定以后，尽快地使用尽可能小的一个AC测量电压来做测试，以避免造成电容发热。以15分钟为间隔所作的两个连续测试试验的结果显示没有变化就可确信电容已经达到热稳定。
3.5 损耗因数(DF)
在电容器的等效电路模型中，等效串联电阻ESR与容抗Xc(1/2πfC)之比称为损耗角正切，也用Tanδ表示。也即
Tanδ=ESR/Xc=dissipated energy/stored energy
可见，Tanδ表示信号的交流分量在电容器上的损耗能量与信号的交流分量总能量之比。一般地，将标准测试频率下的损耗角正切，称为损耗因数DF(Dissipation Factor)，DF的倒数称为Q(品质因数：Quality factor)。损耗因数是测量损耗角的正切值并用百分数来表示。
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图14 阻抗Z随温度和频率的变化曲线
器 件 应 用 指 南
DF是用百分数表示的没有单位的数值，测试频率f的单位是Hz，电容量C的单位是uF，ESR的单位是Ω。
DF的温度特性
损耗因数随温度的升高而降低。从25℃到最高温度限时DF大约降低50%，但是在最低温度限时，DF增加超过10倍。额定温度为-55℃的更好的器件的DF值在-40℃时增加量不到5倍。
DF的频率特性
损耗因数在高频时随频率的变化而变化。DF用以下的公式来模拟：
DF=DFLF+2лfC (ESRHF)/10000
DF是用百分数来表示的总的损耗因数，DFLF是用百分数来表示的低频的损耗因数，ESRHF是高频时的ESR（单位Ω），f是测试频率（单位Hz），C是测试频率下的电容量（单位uF）。DFLF是由功率损失所造成的，功率损失是由于在铝氧化物上施加电场以排列分子的方向所产生的。ESRHF是由在薄膜，连接器和电解液/隔离物垫上的阻性损耗所造成的。电解液/隔离物垫上的电阻值经常起主导作用，它的电阻值随频率变化很小。DFLF的范围大约是从1.5%到3%。ESRHF的范围是从0.002到10Ω，随温度而降低。
上面DF的公式表明DF在低频时是个常数，在交越频率处跨越到降低的DF和固定的ESR,交越频率与电容量成反比。因为高电容量的电容其交越频率低，随着频率的增加高电容量的电容比低电容量的电容DF增加的更多。
DF的测试
DF的测试是在25℃用120Hz没有谐波含量最大AC信号电压为1Vrms没有偏置电压的电源来供电下完成的。如前所述，DF的值与温度和频率有关。
3.6 纹波电流
纹波电流是流进电容的交流电流。之所以称为纹波电流是因为其所关联的依附在电容的直流偏置电压上的交流电压的行进就像水上的纹波一样。纹波电流使电容发热，最大可允许的纹波电流决定于多大可被允许且仍能满足电容的负载寿命指标。太高的温升将使电容超过它的最大可允许管芯的温度而很快损坏，但是工作于接近最大允许管芯温度将大大缩短预期的寿命。对于铝电解电容工作于最大允许管芯温度其负载寿命指标典型值是1000到15,000小时。即六个星期到1.7年，对于大多数的应用这个时间都太短了。
纹波电流的技术规格
额定纹波电流又称为最大允许纹波电流。其定义为：在最高温度工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流有效值。对于高压电容器指定的纹波为最高
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器 件 应 用 指 南
温度下标准频率(一般为 100Hz/120Hz )的正弦波；对于低压电容器，额定纹波电流为最高工作温度下，100KHz时的电流有效值。
纹波电流是由在额定温度下期望的温升所决定的。通常额定温度为85℃的电容允许的温升是10℃，最大允许管芯温度是95℃。通常额定温度为105℃的电容允许的温升是5℃，最大允许管芯温度是110℃。实际的最大允许管芯温度随电容器的类型和制造商的不同而变化。
纹波电流额定值通常假定电容是对流冷却，整个电容器外壳与空气接触。一般采用对流系数大小为0.006W/℃/in2来预测从空气到外壳的温升，管芯温度假设与外壳温度相同。功率损耗等于纹波电流的平方乘以ESR(P=I*ESR2)。
纹波电流的频率特性
电解电容的损耗因子(其与ESR有关)随所施加电压的频率不同而不同,故电容的纹波承受能力不是简单的一个固定量，跟其纹波频率还成一定关系。规格书中提供的某一数值往往指的是100或120Hz的频率，或是一些特定的频率条件下。在工作频率不是给定频率时，要调整额定纹波电流。在技术指标中会显示增加量，通常增加量取决于预期随频率的变化的ESR，但是ESR是温度，电容量，额定电压和频率的复杂函数。所以很难产生一个准确模拟其对依赖频率的纹波-频率的增量表,但对于其它频率情况，规格书通常会提供一个转换因数。图15给出了纹波电流与频率之间的关系曲线，而图16作为实例给出了Rubycon公司ZLH系列电容器的纹波电流频率降额因子，不同系列的电容纹波电流降额因子会有所不同，在无法获取的情况下可以使用此表。对于高纹波电流的应用要确认在你应用场合的频率下的ESR，并计算总的功率损耗。
图16 Rubycon ZLH系列电容器纹波电流频率降额因
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图15 电容器承受纹波电流能力和频率之间的关系
子
器 件 应 用 指 南
纹波电流与温度
电容器最大允许纹波电流除了受到交流频率参数的限制，还受环境温度、电容器表面温度(及散热面积)、损耗角度(或ESR)的限制。温度是电解电容器件寿命的决定性因素，因此由纹波产生的热损耗将成为电容寿命的一个关键参考因数。额定纹波电流是在最高工作温度条件下定义的数值。而实际应用中电容的纹波承受度还跟其使用环境温度及电容自身温度等级有关，图17给出了电容器承受纹波电流的能力和环境温度之间的关系。规格书中通常会提供一个在特定温度条件下各温度等级电容所能够承受的最大纹波电流。甚至提供一个详细图表以帮助使用者迅速查找到在一定环境温度条件下要达到某期望使用寿命所允许的电容纹波量。
图18给出了Rubycon公司ZLH系列电容器的纹波电流温度降额因子，液态铝电解电容器一般可统一使用此温度降额因子，但是需要明确这个降额因子的意义，规格书一般会给出电容器在最高温度下的使用寿命，表格给出其他温度下的系数实际是保证最高温度下的同样寿命而给出的纹波电流承受能力。举例：系列内某颗电容器在105℃下的寿命是8000小时，可承受纹波电流是1.5A，如果电容器工作在65℃，那么根据表格可知纹波电流承受能力是3.15A（1.5A*2.1），但是如果在65℃下给此电容器施加3.15A的纹波电流，那么其寿命也只有8000小时。
图17 电容器承受纹波电流能力和环境温度之间的关系
图18 Rubycon ZLH系列电容器纹波电流温度降额因子
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器 件 应 用 指 南
3.7 漏电流（DCL）
作为电介质的氧化铝层具有的一个特性：即使在 DC 正向电压施加于电容器一段时间后仍有一个微小电流持续从正电极流向负电极。这个微小的电流即称为漏电流。越小的漏电流表明电介质制作得越精良。漏电流值依赖于给定的电压，充电周期和电容的温度。
DCL的电压特性
漏电流值随着施加电压降低到额定电压以下后会迅速的减少。电压降额对漏电流的影响如下图19所示，图中VR表示额定电压（Rated voltage），VS表示浪涌电压（Surge voltage），VF表示化成电压（Forming voltage）。
图19 漏电流和所施电压的关系曲线
电容器阳极上的氧化膜形成了一个依据施加电压的改变而改变的电阻，随着施加电压的上升漏电流将会急剧增大。当所施加的电压超出了化成电压VF值，新的化成过程产生，同时产生大量气体，而且发热量很大。实际上这种现象在曲线的弯曲处已经逐渐显现，为了保证电容器使用的可靠性，额定电压被定义在曲线的线性部分。由于浪涌电压持续时间不长，一般被定义在额定电压和化成电压之间。化成电压和操作电压之间的差异被称为过阳极氧化，它对电容的可靠性有非常重大的意义。
漏电流的时间和温度影响
当电压被施加到电容器上，在最初的几分钟内会有一个冲击电流产生，这种现象在长时期不上电的电容器上更加明显。上电持续一段时间后，漏电流会减少并达到一个稳态值，漏电流随时间的变化曲线如图20所示。
漏电流受温度的影响也比较明显，会随温度的升高而增大，图21示出了电容器漏电流随温度变化曲线。
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DCL的测试方法
在25℃的温度下，施加额定电压并通过测量电路中的与电容相串联的1000Ω保护电阻中的漏电流。施加电压5分钟以后，漏电流没有超过指标所给定的最大值为达标。
第四节 设计选择与应用 4.1 电压
额定DC电压
额定直流电压是标示在电容上的电压，它是包括纹波电压的最大峰值电压，这个电压可能在额定温度范围内在端子之间持续的被供给。较高额定电压的电容可以代替较低额定电压的电容，只要外形尺寸，DF和ESR的额定值是兼容的。
额定冲击电压
额定冲击电压是最大的直流过电压，即25℃时时间不超过30秒，偶然的间隔不少于5分钟电容可能承受的电压。
在正常的室温下给电容通过一个1000Ω±10%的电阻器加上额定冲击电压（如果电容量是2500uF或更高，则使用（2500,000/C）Ω±10%的电阻，C是电容量，单位是uF）。循环加电压0.5分钟开启，接着4.5分钟关闭，当处于关闭状态时，每个电容通过充电电阻或等效电阻放电。重复循环120小时。公布测试的必要条件是DCL，ESR，DF满足最初的条件，且没有机械损坏或电解液的泄漏的迹象。没有小滴或可视流体的电解液残留物是允许的。
瞬间过载
铝电解电容一般能承受有限能量的非常高的瞬间过电压。超过电容冲击电压额定值50V以上的过载应用会造成较高的漏电流和固定电压工作模式就像齐纳二极管的反向击穿。如果电解液不能承受电压的压力，电容可能损坏短路，但是即使电解液能承受电压的压力，这种操作模式也不能维持很长时间，因为由电容所产生的氢气和压力的积累将造成损坏。但是特殊的设计是可以的，这种设计利用过压，齐纳二极管嵌位效应成功的保护设备不受像雷击等的瞬态过压的损坏。
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反向电压
铝电解电容是有极性的，要用正确的极性来连接。它们可以承受高达1.5V的反向电压。更高的反向电压会通过压力积累和电容的安全孔结构的破裂而造成电容的损坏，导致相关联的开路或短路故障和电容压力释放口的破裂。而无极性和半极性的电容可以承受反向电压。电容器上会标示极性，在电路设计和安装时要检查每一个电容的极性。
电压的降额
电压的降额用百分比来表示，即给定电压小于额定电压的百分比，如一个450V的电容工作在400V将有11%的电压降额。在应用中，在温度小于45℃工作时一般可以不需要降额。高于75℃，10%的降额是足够的。对于更高的温度和高的纹波电流，15%或20%的降额是合适的。既然随着进一步降额可持续增加工作寿命，军事和空间的应用使用30%的电压降额。 在正常室温下，照相闪光(photoflash)电容可以在满额定电压下被使用，因为它们是为这样的用途而设计的。至少10%的电压降额对于频闪(strobe)电容有好处，因为它们连续工作会使它们变热。
4.2 电容器的串联
电容器串联时的工作情况
当电容器的额定电压达不到要求时，就需要将电容器串联起来使用。为了更好地平衡电容上的电压分配，最好要并联平衡电阻。图22示出了两个电容器串联使用时并联电压平衡电阻的电路。
如果电压V施加到串联电容器和电阻网络上，当电压分配均衡时流经R1、C1上的电流之和应该等于流经R2、C2上的电流之和，即：
Ic1+Ir1=Ic2+Ir2
阻容网络中点处的电压（Vm）可以被表示为： Vm=Ir1*R1
可以得到Vm= (Ic2 - Ic1 + Ir2) x R1 进一步，Ir2可以被定义为：
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图22 电容器的串联使用方法
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Ir2 = (V-Vm)/R2 因此可以得到，
Vm= (Ic2-Ic1)*R1*R2/ (R1+R2) +V*R1/ (R1+R2)
可以看出Vm处的电压值取决于两个电容器漏电流之差(Ic2-Ic1)、所加电压V、平衡电阻阻值。一般情况下R1和R2的取值是相同的，用R表示其阻值，因而Vm可以表示为：
Vm= (Ic2-Ic1)*R/ 2 +V / 2
显然，阻容网络中点处的电压Vm与理想电压值V/2的偏差为(Ic2-Ic1)*R/ 2。
平衡电阻的选择
为了方便平衡电阻R的选择，我们可以推出平衡电阻R的计算公式： R= (2*Vm-V)/ (Ic2-Ic1)
为了计算所需的最大电阻值，可以先设定V为所加的电压，Vm为可接受的最大中点电压（通常是电容器的额定电压值）。两个电容器的漏电流差值依赖于所使用的电容器、操作温度以及每个电容器上的电压。如果两个电容器的漏电流是在相同的电压下测试，那么通常它们的漏电流值大小是不等的。当把两个电容器放到电路中时，必须注意到漏电流低的那个电容器会承受更高的电压。但是漏电流与电容器上的电压呈正比（电压越低，漏电流越小），这将会使Vm趋向于V/2。
在实际应用当中，额定温度下电容器漏电流的差值的估计值为：1.5*Cr*V（nA），其中Cr是用uF表示的电容值，V是施加到串联电容器两端的电压。
4.3 寿命与可靠性
元件的可靠性可以被定义为在给定时间和条件下其能够满足性能要求的可能性。实际情况是不可能预测到单个元件的行为，因此我们必须借助于概率论的方法来研究。另外还有必要清晰地定义所施加应力等级（如操作电压、纹波电流以及温度等）和持续的时间。
虽然失效率或者寿命估计通常被用于设备设计中，但是液态铝电解电容器的可靠性通常用寿命（实际上是预期寿命）而不是失效率来衡量，这是因为电容器的失效模式就是彻底损坏。
电容器寿命评估方法
当电容器的容值发生改变，损耗角正切以及漏电流超过规定值，或者有明显的外观异常，都可以认为电容器的寿命达到了极限。影响电容器寿命的因素包括温度、湿度以及振动等，但是最重要的影响因素是温度，温度升高将会缩短电容器的寿命。
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环境温度与寿命之间的关系
通常情况下，如果一个电容器在所允许的操作范围内使用，其预期寿命可以根据阿列纽斯(Arrhenius)理论计算，此理论认为温度每降低10℃寿命将会加倍。
L=2L0^[(T0-T)/10]
电压与寿命之间的关系
当电容器上的电压在额定电压之下时，电压对电容器寿命的影响相对于环境温度以及纹波电流对电容器寿命的影响要弱得多。因此，在计算电容器寿命时，一般会忽略电压的影响。
对于高压电容器应用于电源设备的滤波场合，电压降低会使漏电流减少，电解液的消耗也会减少。在这种情况下，电容器的寿命可能会因电压降低而延长。
纹波电流与寿命之间的关系
液态铝电解电容器的损耗角正切会比其他种类的电容器大一些，所以当纹波电流施加到电容器上时，内部因功率损耗而产生热，从而导致温度上升，寿命也受到影响。
电解电容器上的功耗可以用下面的公式计算：
P=PAC+PDC P=IAC2*Re + VDC*IDC
P:电容器上的功耗（W）；
PAC：纹波电流所带来的损耗（W）； PDC：漏电流所带来的损耗（W）； IAC：纹波电流（A）； Re：电容器的ESR；
VDC：电容器上的直流电压（V）； IDC：电容器的漏电流（A）；
如果DC电压低于额定电压，漏电流极小，PAC>>PDC电压，电容器上的功耗计算公式简化为：
P=IAC2*Re
关于电容器功耗带来的表面的温升计算，日本NICHICON给出的计算方法如下：
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β: 热辐射常数(10-3W/℃*cm2)；
A: 电容器表面积（cm2）,如果电容器的尺寸是φD*L，那么电容器的表面积为：
A=0.25*π*D2+π*D*L
△t：纹波电流所带来的温升；
4.4 电解电容器寿命的估算
液态铝电解电容器的寿命计算方法因厂商不同而有差异，但是核心考虑的因素是相同的，即环境温度以及纹波电流所带来的温升对电容器寿命的影响。以下仅给出Rubycon公司所给出的计算方法，其计算公式是：
L：电容器使用的预期寿命；
Lb：技术文档中给出的最高操作温度下的基本寿命； Tmax：电容器的最高操作温度； Ta：实际环境温度；
⊿Tjo：施加最大额定纹波电流时的电容器内部温升。USR、USC、USG: 10 °C，VXP : 3.5 °C，Other type : 5 °C；
⊿Tj：实际纹波电流所带来的电容器内部温升。
F：频率系数，参考纹波电流的频率特性一节，100KHz以上取值为1； Io：最高操作温度下的额定纹波电流； I：实际纹波电流。
根据上面的公式可以计算出电容器给定温度下的寿命，但是很显然Ta的测试是比较困难的，这里给出根据电容器表面温度推断环境温度的方法，计算公式是：
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Ta：计算得到的环境温度； Tc：电容器表面温度； α：电容器尺寸系数
在应用过程中会出现环境温度较低的情况，这时可以提高电容器纹波电流的设计值，下表Rubycon也给出了各个系列电容器在不同温度下能承受的纹波电流系数，但是必须注意使用了这个系数之后，相当于最高温度为所选则温度，而在这个温度下其寿命为技术文档中给出的寿命。
第五节 失效模式与失效机理 5.1 失效模式
电解电容器的失效模式可以分为物理上的和电气上的，其中物理上的失效表现为防爆阀打开；电气上的失效表现为开路、短路以及参数飘移。下表给出了电容器的各种失效模式以及造成这些失效问题的原因分析。
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5.2 自愈特性
电解电容在工作或储存中，阳极氧化膜的局部会由于某种原因受到破坏，是电容的漏电流增大，但由于电解电容器是以电解质作为阴极，因此，在在外加电压的作用下，非固体电解质能放出氧，在氧化膜破坏处重新形成氧化膜，起到了自行修补的作用，这种现象叫做电解电容的自愈。一般电容厂商库存时间过长的电容，若未经过出厂“自愈”修复，故障率将大大增加。 5.3 失效案例
第六节 器件品牌
介绍我司使用电容品牌的优先值序列，标识方法等。可使用以下软件查询：
第七节 采用标准
国际、国家、行业标准是生产厂商设计、生产、检验、发生纠纷等，参考的主要依旧：
GB/T 2693 电子设备用固定电容器 第1部分：总规范
D:\\廖宇晖文件夹\\器件选型指导\\GB 269
GB/T 5993 电子设备用固定电容器 第4部分：分规范 固体和非固体电解质铝电容器
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器 件 应 用 指 南
D:\\廖宇晖文件夹\\器件选型指导\\GB 599
GB/T 5994 电子设备用固定电容器 第4-1部分:空白详细规范 非固体电解质铝电容器 评定水平E
第八节 技术趋势
8.1 无法取代的铝电解电容器
8.2 其他电容器与铝电解电容器的相互补充
8.3 技术发展
高纯度、高性能铝箔材料的采用，使材料的腐蚀性能大大改善，同时形成的介质氧化膜的漏电流大大降低；先进腐蚀和形成工艺的开发，使阴阳极铝箔的比容量进一步增加，阳极箔的漏电流进一步下降；化学性稳定的电解质和溶剂，尤其是特种添加剂的应用，减少了对电容器原辅材料的侵蚀，减少了电解液的泄漏；加上新型密封材料的采用，大大提高了电容器的寿命；新型电解纸的开发，大大提高了离子的穿透速度，使电容器的ESR降低500％～700％，使同样容量的电容器在高频下相当于5～7个普通电容器。
小结
本章从结构，制作加工过程，特性，使用注意事项，失效分析等五个方面详细介绍了液态铝电解电容器，立足点是帮助硬件工程师深入了解并更好地使用电解电容器。由于液态电解电容器的历史较为悠久，技术相对比较成熟，生产厂商较多，各个厂商对电容器的理解会有所不同，这里更多地涉及到的是公司常用品牌及系列的电容器产品。
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