电解电容的失效原因和寿命计算方法

电解电容在LED电源,调光电源等电源适配器中是不可替代的元器件!在这些电源中由于应用环境的原因,成为最脆弱的一环。所以电解电容的寿命基本是电源的寿命。

如果电解电容在质量上没有问题,失效问题的出现就是出现在应用环境中。电解电容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”,或者说是:“致命的失效”,使其完全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”, 或者说是“耗尽失效”。

一、电解电容失效模式与因素概述

电解电容正极、负极引出电极和外壳都是是高纯铝,电解电容的介质是在正极表面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,只不过正极表面的阳极氧化层已经形成,不再发生电化学反应,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,电解电容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。

二、电解电容的失效机理

耗尽失效

(1)高温环境或发热导致点解电容寿命的终了

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。由于早期电解电容的电解液充盈,电解电容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倍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于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层,这样就使电解电容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,可以认为电解电容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。

(2)电解电容的ESR产生损耗并转变成热使其发热。

理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不完美。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串连在一起,所以就起了个名字叫做等效串联电阻。

ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。

比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源都使用低ESR的电容器。由于应用条件使电解电容发热的原因是电解电容在工作在整流滤波(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)电流流过电解电容,在电解电容的ESR产生损耗并转变成热使其发热。

当电解电容电解液蒸发较多、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,电解液粘稠度骤增,电解液的ESR增加近十倍。.增大的等效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,电解电容容量急剧下降,甚至会造成爆炸。

(3)漏电流增加往往导致电解电容失效。应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加

电解电容压力释放装置(顶部的K或者十,不同的厂家略有区别)

为了防止电解电容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电解电容的爆炸。为了消除电解电容的爆炸,电解电容均设置了压力释放装置,这些压力释放装置在电解电容内部的气压达到尚未使电解电容爆炸的危险压力前动作,泄放出气体。随着电解电容的压力释放装置的动作,电解电容即宣告失效。

电解电容温度过高的第二个原因是芯包温度过高。电解电容芯包温度过高的根本原因是电解电容流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在电解电容的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电解电容内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。

a.瞬时超温

通常电解电容的芯包核心温度每降低10℃,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125℃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,瞬间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惕瞬时超温发生的可能,还要额外注意电解电容的冷却。

b.瞬时过电压的产生

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

电容过电压失效的对应预防措施

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。

产品设计时选择承受瞬时过电压性能好的电解电容,20YPower科技在设计调光电源等电源时选择优质的电解电容的同时,设计使用比要求电压还高的电解电容。

电解液干涸是电解电容失效的最主要原因:电解液干涸

1.电解液自然挥发

电解液的挥发速度随温度的升高

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

2.电解液的消耗

漏电流所引起的电化学效应消耗电解液

电解电容的寿命随漏电流增加而减少

漏电流随温度的升高而增加:25℃时漏电流仅仅是85℃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的电解电容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电解电容寿命的因素之一:温度

a.根据电解电容的电解液的不同,电解电容的最高工作温度可分为:

一般用途:85℃

一般高温用途:105℃

特殊高温用途:125℃

汽车发动机舱:140～150℃

影响电解电容寿命的的因素(额定寿命小时数)

b.按寿命小时数电解电容可以分为:

一般用途(常温,3年以内):5000小时

一般用途(常温,希望比较长的时间):10000小时以上

工业级:更长的寿命小时数

电解液干涸的时间就是电解电容寿命的因素之二:电解液

电解液的多与寡决定电解电容的寿命外,电解液质量也很重要,所以为什么很多电源厂选择3con的电解电容的原因;

所以总的来说,影响电解电容寿命的的因素(应用条件)有以下这几点:

★高温缩短电解电容寿命

★高纹波电流缩短电解电容寿命

★工作电压过高缩短电解电容寿命

三、电解电容寿命电容推算方法

在额定电压下,电解电容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,电解电容的使用寿命随温度下降每10℃,寿命增加一倍,即所谓10℃法则。因此,无论是使用还是存储,电解电容均应在尽量低的环境温度下为好。例如常见的rubycon YXJ系列电解电容,105℃/10000;

工作温度使用寿命年

廿年科技设计的电源产品,按20年的产品寿命为设计基础,电解电容的周边温度低于65度;同时选用低阻抗(Low Impedance)的电解电容。