2022年铝电解电容的寿命计算 .pdf

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1、1 铝电解电容器的寿命使用条件对于铝电解电容器的寿命有很大的影响。使用条件可分为环境条件和电条件。环境条件有温度、湿度、气压、震动等，其中温度对于寿命的影响是最大的。电条件有电压、纹波电流、充放电条件等。一周围温度和寿命周围温度对寿命的影响体现在电容量的减少、损耗角正切值的增大，这些现象起因是电解液从封口部分向外部渐渐扩散。 电性能的时间变化和周围温度之间的关系可得出下列公式。Lx=Lo*BTo-Tx/10Lo：在最高使用温度下，额定施加电压和额定纹波电流重叠时的保证寿命（ hours）Lx：实际使用时的预计寿命（hours ）To：产品的最高使用温度（）Tx：实际使用时的周围温度（）B： 温

2、度加速系数在此温度加速系数B若在最高使用温度以下的话，B=2进行计算， 10 的升温即等于约两倍的加速率。电解电容应用时，须考虑环境散热方式、散热强度、电容与热源的距离、电容的安装方式。二施加电压和寿命用于绝大多数的机器中的贴片式（SMD ） 、引线式（ radial ） 、基板自立式（ snap-in ）之电容器，使用条件在最高使用温度和额定电压值以下的情况时，施加的电压所产生的影响与周围温度的加速和纹波电流的加速所产生的影响相比可以忽略不计。另， 用于高功率电子仪器的螺丝端子式 （screw） 电容器中 350VDC 以上的高压品占主流，由于作为铝电解电容器导电体的氧化膜(Al2O3) 的

3、性质，额定电压以下的施加电压值的大小将影响其寿命。三纹波电流重叠时的寿命由于铝电解电容器和其他的电容器相比损耗较大，因而纹波电流会导致内部发热。纹波电流产生的热又会使温度上升，所以对于产品寿命有很大影响。这样一来，需事先根据不同产品设定最大允许纹波电流值。外加纹波电流的发热度可由下面的计算式得出。W=Ir2* ESR +V*ILW：内部的消耗电力Ir：纹波电流ESR：内部电阻（等效串联电阻）V：外加电压IL：漏电流在最高使用温度下，漏电流增加到20时的 510倍，但仍然 IrIL，则 W= Ir2ESR。要求出内部发热和放热达到平衡的条件，则名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

4、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 2 Ir2R= *A*T ：放热常数A：外壳表面积（ m2）A=/4D(D+4L) D：外壳的直径（ m）L：外壳的长度（ m）T：因纹波电流所上升的温度（）那么，内部发热 T= Ir2ESR*A另外，纹波电流在120Hz的情况下发热可由（ 7）式得出：T= Ir2ESR= Ir2 tanA AC （在这里ESR = tan）C tan：120Hz 时的损耗： 2 f（f 等于 120Hz）C ：120Hz时的电容（ F）ESR值是

5、根据温度的变化而变化，因此，要求出正确的T 必须实际测得热电偶的数值。顾及由纹波电流产生的内部发热和周围温度的影响, NIPPON-CHEMICON寿命推定式是 ：a) 施加 DC 标称电压时的保证寿命为Lx=Lo 2 To-Tx 2 -T （贴片型）10 5 b) 允许纹波电流重叠时的保证寿命为Lx=Lr 2 To-Tx 2 T o-T （引线型、基板自立型）10 5 C）Lx=Lr 2 To-Tx 2 -2+（25-T）/b （螺丝端子型）10 Lr：在最高使用温度下标称纹波电流重叠时的保证寿命（hours）Lx：实际使用时的推测寿命(hours) To：产品的最高使用温度（）Tx：实际使

6、用时的周围温度（）T：纹波电流导致的芯子中心发热度（）To：施加允许纹波电流时的芯子中心发热度（）（最高使用温度 105系列的 T o=5）关于 TX（实际使用时的周围温度）的注意事项在温度加速试验中，确认10 2 倍准则的是 40最高使用温度的范围内，从市场退回的产品测定结果中可以看出，2025范围内可以用 102 倍准则进行研究， 但是应用中的环境条件大多不明确，因此40以下的话请当作40来进行寿命预测。关于 T（纹波电流导致芯子中心发热）的注意事项周围温度+ 纹波电流导致芯子中心发热的界限值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

7、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 3 各个温度下芯子中心发热的界限值的例子周围温度（）40 55 65 85 105 T（）30 30 25 15 5 即：最高使用温度为105系列处于最高使用温度105时纹波电流产生的热达到5的最高界限（合计 110） ，周围温度为 65时纹波电流产生的热最高为25（合计 90） ，这两种情况的寿命是相同的。要求得纹波电流自身发热的值，需用热电偶测出电容器芯子中心的温度和电容器周围的温度，两者之间的差即是纹波电流自身发热的值，这样求出的数值是最正确的。但是，由于在实际的机器中要

8、测出电容器内部的温度是非常困难的，因此先测定电容器外壳侧面的温度，在运用下记温度差系数来推定芯子中心部分的温度。不同外壳直径的温度差系数需要作出更准确的寿命推测的话，请使用实际测量值。另外，也可以用公式（12）算出纹波电流产生的自身发热值 T。最高使用温度、多数系列的 T0=5。至于其他系列请参照供应商资料。 T=（IX/I0）2 T0（ 12）I0：最高使用温度下的被频率修正的额定纹波电流（Arms）IX：实际使用时的纹波电流（Arms）开关电源中铝电解电容器商用电源频率成分和switching 频率成分重叠时，其内部消耗电力如下式所示。W=I（f1）2ESR（f1）+ I（f2）2ESR（

9、f2）+ I（fn）2ESR（fn）W: 消耗的电能I(f1) 、I(f2) I(fn) ：各式各样不同频率下的纹波电流值（Arms）ESR(f1) 、ESR(f2) ESR(fn)：各式各样不同频率下的等效串联电阻值（ ）设各频率下的频率修系数为F （fn） ,f0是纹波电流基准时的频率， 要让 ESR(fn)= ESR(f0)/ F （fn）2的关系成立； 用下列公式换算各频率成分的纹波电流值为基准的频率的纹波电流实效值（f0）I （f0）=【 I(f1)/F(f1)2+I(f2)/F(f2) 2 +I(fn)/F(fn) 2 】I(f0) ：换算基准频率纹波电流值（Arms ）F(f1)

10、 、F(f2) F(fn) ：各种频率 f1 f2 fn下的频率补正系数通常，额定纹波电流值被120HZ的正弦波实效值规格化。内部电阻（ESR ）为保持频率特性，允许纹波电流值会根据频率的改变而改变。（举例）频率修正系数的例子（生产商CHEMICON的 radial高频低阻 KZE系列）标称电容量 （ F） 频率（ HZ）120 1K 10K 50-100K 180 F 以下频率修正系数0.40 0.75 0.90 1.00 220560 F0.50 0.85 0.94 1.00 6801800 F0.60 0.87 0.95 1.00 22003900 F0.75 0.90 0.95 1.0

11、0 4700 F 以上0.85 0.95 0.98 1.00 电容器外径 D （mm）5 6.3 8 10 12.5 16 18 22 25 温度差系数1.1 1.1 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 电容器外径 D （mm）30 35 40 50 63.5 76 89 100 温度差系数1.5 1.65 1.75 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - -

12、 4 频率修正系数的例子（生产商CHEMICON的 snap-in SMQ 系列）标称电容量 （ F） 频率（ HZ）50 120 300 1K 10K 50-100K 4.7 F 以下频率修正系数0.65 1.00 1.35 1.75 2.30 2.50 1068 F0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 1.80 1001000 F0.80 1.00 1.15 1.30 1.40 1.50 200 F 以上0.85 1.00 1.03 1.05 1.08 1.08 四关于影响寿命的其他因素铝电解电容器的电解液会通过封口部分向外扩散，由此产生的渐耗故障成为决定寿命长短的重要原因。使

13、该现象加速的原因除了前面提到的周围温度和纹波电流这两个原因之外，还有下面几个原因。4.1 过电压若连续施加超过额定电压的过电压，产品的漏电流急速增大。因漏电流导致发热及气体的产生，从而引发内压也随之上上升。这一反应会根据施加的电压、供给电源的电流容量、环境温度的上升而加速，有时会导致压力阀松开甚至被损坏的情况。即使电容器外观没发生异常，其寿命也会变短。将电容器串联使用的情况下，因漏电流偏离分压变得不平均，个体易施加上过电压。这样的话，必须采取选定估计不平衡的额定电压或者连接均压电阻等等措施。建议均压电阻选择：R = VW /3I漏电流目前由于节能要求，均压电阻阻值的选择越来越大，对电容器的容量

14、、漏电流一致性要求越来越高。4.2 逆电压施加逆电压，电压加在无化成膜的阴极箔上，导电体氧化膜被强制形成，则这样和过电压的情况一样地会引发发热和气体的产生，致使电容量急剧减少，损耗角增大。阴极反应： 4OH- - 4e = 2H2O + o2 + 热量3O2 + 4Al = 2Al2O3 阳极反应： 2H+ + 2e =H2逆电压、逆电流过大，伴随气体产生、阳极箔和压力阀被损坏。压力阀若来不及打开，会产生爆炸。4.3 充放电把一般产品用于开关频繁的频闪闪光灯、铆接机的充放电电路和输出功率大的AV机器的电源电路中，因放电电流使阴极箔化成、电容量急剧减少。还有阴极箔化成时产生内部发热和气体的产生，

15、会导致压力阀松动甚至被损坏。温度越高，放电电阻越低、施加电压越大，充放电频率越快的话，那么产品恶化的速度也就越快。一般地，将铝电解电容器放臵于激烈的充放电电路中的话，因充电后放电的原因，阴极箔生成化成膜，电容量迅速减少。阴极侧和阳极侧短路，原本储存在阳极一侧的电荷瞬间移往阴极箔一侧，这时，两侧箔的电压为了相等，阴极箔一侧渐渐被化成。这与施加逆电压的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 5 状态相同。1. 通常的充电状态

16、2. 断开电源 V1，放电了的话，阳极箔一侧的电荷会移向阴极箔一侧，由于整体电荷量不变，即 Q=C+V2+C-V2,则 C+V1=C+V2+C-V2 V2= C+V1C+ C-16V10000 F 的情况下，外部施加电压假设为13V，电容器尺寸若为 50 80L 的话，阳极箔为 5.3 F/cm2、阴极箔为 100 F/cm2，那么V2=5.3*13 /（5.3+100）=0.65(V) 若制造 35 50L 尺寸电容器的话，阳极箔必须使用高倍率箔，阳极箔为11.5 F/cm2、阴极箔为 100 F/cm2的话，那么V2=11.513 /（11.5+100）=1.34(V)因此，使用高倍率阳极

17、箔的情况下，放电时会产生更高的电压于阴极箔，则加速阴极化成反应，导致发热、压力阀松动。小型化了话，要采取使用高倍率阴极箔或者附有氧化膜的阴极箔等对策。 4.4 脉冲电流若频繁地反复操作，则情况与施加过纹波电流相同，芯子发热度超过允许值，在外部端子的连接部分及电容器内部的引出线和箔的连接部分会有异常发热，需引起注意。4.5 用于交流电路如果铝电解电容器用于交流电路的话，在电容器内部迅速产生气体的同时还伴有发热、内压上升，由此进一步导致压力阀动作、从封口部分漏出电解液，甚至最糟糕的话有时还会引发爆炸 , 可燃物飞散，有时还会导致短路。所以，请千万不要用于交流电路中。五铝电解电容的主要失效模式（案例）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -