电解电容器技术

第1页共35页一、电容器的定义1、电容器——由两个导电极板，中间放置着具有介电特征的物质所组成的分立元件。2、电解电容器——两个极板有阳（正）极和阴（负）极之分，其中作为阳极的是采用特定的阀金属，并在该金属表面上籍助于电化学方法生成一极薄且具有单向导电性的氧化膜作为介质，而阴极通常是采用能生成和修复介质氧化膜的液状或固状的电解质，这样一种特殊结构和特殊工艺制造的电容器。二、电气参数铝电解电容器常用标称：电容量（CR）、损耗角正切（tgδ）、漏电流（ILC）、额定工作电压（UR）、阻抗（Z）1、电容量：是指在电容器上标明的电容量值，是设计容量的名义值。2、损耗角正切：用于脉动电路中的铝电解电容器，实际上要消耗一小部分有功的电功率，这可用损耗角正切来表征，它是电容器电能量损耗的有功功率与无功功率之比。对于电解电容较常采用串联等效电路，如图1-1所示，则其损耗角正切tgδ为：tgδ===ωCrrI图1-1等效串联电路和电流电压矢量图3、漏电流漏电流：当对电容器施加直流电压时，将观察到充电电流的变化：开始很大，然后逐渐随时间而下降，但并不等于零，而是达到某一终值后，趋于稳定状态，这一终值称为漏电流。漏电流ILC是电解电容器五大电参数之一，用来表征电解电容器的绝缘质1ωCrUCURIrCrUcUrUCrIrUrCrUcCrUCrI第2页共35页量。与施加电压的大小、环境温度的高低和测试时间的长短都有密切关系，故在规定漏电流值时必须标明其测试时间“t”、施加电压“U”和环境温度“T”的大小。ILC与测试时间（即施加电压时间）、施加电压大小和环境温度之间的关系如图1-2所示。图1-2电解电容器的漏电流与测试时间、施加电压和环境温度的关系对于铝电解电容器，漏电流通常用下式表示：ILC=KCU+MµA式中：C——电容器的标称电容量（µF）；U——额定工作电压（V）；K，M——常数。其中K值，称之为漏电流常数。对于不同类型的电解电容器具有不同值，如CD11型产品，K=0.03；CD110型产品，K=0.01；低漏电流产品，K=0.001～0.002。对于M值，除了主要考虑氧化膜本身漏电流外，还应考虑到电容器表面漏导电流的影响。M值主要取决于产品结构和CU值的大小。CU值较小者，其表面漏导电流影响较大，M值也相应附加较大值；CU值较大者，表面漏导电流影响就较小，M值可以忽略不计。所以M值可以在0～20范围内取值。4、额定工作电压（UR）指在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器的ILCU2U1U1＞U2tT1T2T1＞T2ILCt第3页共35页最大直流电压或最大交流电压有效值或脉冲电压的峰值。5、阻抗（Z）【将由下一节解释】三、主要电气参数分析1．阻抗、电容量、损耗角正切和等效串联电阻的关系对电解电容器来说，通常用是容量C、损耗角正切tgδ和、阻抗Z或等效串联电阻ESR来描述在脉动电路中的电气特性。一般电解电容器的电感量L不太大，不会超过100nH（纳亨），电解电容器的等效电路图1-3所示。图1-3电解电容器的等效电路该电路中AB两端的复阻抗为：Z=r+jωL+=r-j〔-ωL〕阻抗模量为：│Z│=√r2+〔-ωL〕2=√r2+（XC-XL）2=√（ωrC）2+（1-ω2LC）2=√tg2δ+（1-ω2LC）2当L很小时，ω2LC1，则：│Z│=√1+tg2δ因此，电容器的阻抗将随着损耗角正切的增加而增大。这意味着在同一电压下,阻抗大者容许通过的交流电流要小一些,换言之,即由于电容器有损耗,所以在电路中它的电容量相应地有所减小,不是测试出来的C值,而是jωC1ωC1ωC1ωC1ωC1ωC1rABCL第4页共35页的有效电容量:C效=C/√tg2δ+(1-ω2LC)2当ω2LC≤1C效=C/√1+tg2δ而C效不能直接由测量仪测出,只能从│Z│或从施加的电压和通过的电流值计算:∵│Z│==│U/I│.显然,电容的阻抗值,概括了各种影响因素既能所映电容本身在电路中真正作用,又能根据它的温度频率特性的好坏,从中分析电容器的工艺及结构是否合理,例如,低温时阻抗增大很多,从而工艺上分析原因,频率升高时,阻抗值下降迟缓,也如要从工艺上找原因.由电解电容器串联等效电路得知：tgδ=ωCr式中损耗电阻r是由三部分组成的：a、氧化膜介质损耗的等效串联电阻r介；b、代表工作电解液的等效串联电阻r液；c、代表金属电极、引出线（片）以及接触电阻等组成的r金。即：r=r介+r液+r金r被称为等效串联电阻，英文缩写为ESR（equivalentseriesresistance）。故：ESR=2温度频率特性电解电容器的主要电气能数C、tgδ和Z与使用环境温度、频率有着极为密切的依赖关系。所谓温度特性指电容器的C、tgδ和Z随环境温度变化ωCtgδωC1第5页共35页的规律性，而频率特性则描述电容器的C、tgδ和Z随频率变化的规律性。电容器的温度频率性不仅反映介质微观变化的内在规律，而且还与电解液的性质、电解纸的种类以及电容器的结构等因素有关。当然从使用角度来看，要求它随温度频率的变化越小越好。2．1频率特性2.1.1C、tgδ～f关系在低频段，构成电容器的介质，其偶极子极化能跟得上外加电场频率的变化，这样介质极化率就大，其极化对容量的贡献也就大，且损耗也小；在高频段，则与上述相反，随着频率的提高，介质偶极子极化跟不上外加电场的变化，C就会下降，tgδ增加，这种变化关系如图1-4所示。CZff图1-4电容量与频率曲线图1-5阻抗与频率曲线2.1.2Z～f关系由于电解电容器固有电感的影响,使阻抗Z的频率特性曲线存在“U”形的特性,如图1-5所示。从公式中可以看出（复阻抗），在低频段容抗在阻抗中占主要地位，随着频率的增加，阻抗减小，当阻抗达到某一最低值时，此频率为谐振频率。在高频段，感抗影响占主要地位，电感是由电流流过金属电极、引线和金属外壳时所形成的。下面列举不同规格的铝电解电容器16V470uF和250V10uF、47uF、100uF，其阻抗频率特性1-6所示。第6页共35页（a）Z～f（b）Z～T图1-6典型铝电解电容器的阻抗温度频率特性2．2温度特性2.2.1C、tgδ～T关系由于电解液是离子导电，离子导电能力都毫不例外地随着温度的增加而增加。在低温时电解液趋于“冰冻”，其离子的迁移运动受到的阻力将大大增加，并随着温度的趋低而变大，最终导致r液→∞，则tgδ将随着r液的增大而变大。同理，在高温时，r液变小，tgδ随之减小，而Cr→C。铝电解电容器tgδ温度特性主要取决于工作电解液，特别是它的低温电阻率大小，它的一般规律是：A.使用低温特性好的工作电解液要比使用差的其tgδ温度特性好,B.高额电压的tgδ温度特性比低压的要好一些,C.电容量小的一般要比电容量大的tgδ温度特性好,D.使用腐蚀系数小的铝箔要比系数大的tgδ温度特性好。铝电解电容的tgδ要从三个方面考虑：C′纸C+C′纸CC′纸=1+CC′纸≈C’纸Cr=T/℃100HZ250V10uF250V47uF250V100uFZ/mΩ-40℃-25℃0℃20℃85℃Z/mΩf/Hz10000100010010101000100000100101-60-40-20020406080120100第7页共35页A.电解纸的tgδB.电解液的电导率C.正极箔的tgδ2.2.2Z～T关系从公式（阻抗模量）看出，随着温度的提高，tgδ下降，C也有些增加，但因tgδ急速下降，故阻抗Z将随着环境温度的升高有较快速率下降，见图1-6所示。2．3有关参数的影响从等效电路来看，卷绕型箔式电容影响C和tgδ的主要参数是γ解和C纸以及阳极箔的表面状态等，浸渍纸电阻（γ解）的计算，γ解是指以易浸润的衬垫纸或其他多孔性纤维材料浸透了工作电解液后的电阻，也是称为衬垫物电阻：γ解=∮ρ液（Ω）其中：∮—衬垫材料的渗透系数，与其多孔性结构有关。∮=（密度较小的电解纸，其损耗相对较小）电解电容衬垫纸的∮=25～35ρ液—电解液的电阻率（Ω·cm）d纸—衬垫材料的厚度（cm）A—阳极箔的外观几何尺寸表面积可见，∮值越大，表明衬垫物渗透能力差，实验表明，当所用工作电解液在某一低温下如发生微晶析出现象，将阻塞衬垫物的结构空隙，从而使∮值显著增加，所以∮值以与电解液的成分和使用温度有关，在低温大并不是一个常数，甚至会增加几倍。电解液的电阻率浸渍后衬垫材料的电阻率ZAd纸第8页共35页含浸率的影响:由于阳极箔腐蚀参数高，铝箔表面的氧化膜是微孔结构，且电解液是有一定粘性，较难完全浸入微孔之中，导致阳极箔实际的有效表面积比理论表面积小，因而实际电容量就偏低,且含浸率随着阳极箔比容的增大和电解液粘度的增加而下降。3．影响分析3．1工作电解液的影响工作电解液的电阻率大小，对γ解起决定性作用，从γ解=∮ρ液可以得知；而且它还是一个变量，这才给电容器的C和tgδ的温频特性带来关键的影响。据华尔顿定律，溶液的粘度和电导率的积为—常数，当低温时，粘度上升，离子迁移率降低，所以电阻率增加，甚至在更低温度，电解液还可以结晶。那么ρ值将增大到不能容忍的程度，因此用粘度大一些的电解液浸渍衬垫物，其γ解将比粘度较小的电解液大得多，这样可知，粘度较小的工作电解液的电容器，是有相对较佳的C和tgδ的温度特性。我们希望电解液的电阻率和温度的关系比较平坦，即希望低温（-55℃）时，电解质的ρ的值不大于常温时的10-20倍，即ρ-55/ρ+20≤10-20最多不大于50倍。3．2额定电压的影响当标称电容量是一定时，如U额高，则必形成较厚的氧化膜。如此，在高额电压下比低额电压要求有较大的阳极箔表面积。除了用腐蚀方法增大箔的有效面积外，另一办法就是直接增大箔的几何尺寸。但如从阳极箔的需要表面积增大来看，因为氧化膜厚度与形成电压成正比，如保持C不变，当U提高n倍时，d纸ZA第9页共35页阳极箔表面积也将增大n倍（假定形成电压与额定电压的比值相同）。如果额定电解液的ρ液随U额高低不同所起的影响不是如此显著，低压电容器的γ解比同C的高压电容器大得多，所以前者的C、tgδ温度和频率特性要差一些。4.漏电流及抑制漏电流回升的对策4.1漏电流产生的根源铝电解电容器的介质膜是由电化学方法形成的Al2O3膜，因厚度极薄，易受原材料纯度、制造工艺等因素的影响，故在介质膜表面总是或多或少存在微小缝隙、杂质和疵点，同时在晶体结构上易形成晶格缺陷。这样，铝电解电容器在施加电压后，就在上述这些隐患处形成电子电流和离子电流，其中以电子电流为主。此外，应考虑电容器表面漏导电流的影响，它与元件表面状况(如表面的粗糙度、清洁度)及环境的温湿度均有关。因此，漏电流是电解电容器极为重要的电气参数之一，是衡量电解电容器品质优劣、制造工艺是否得当和工艺卫生文明生产的一个直接标志。4.2漏电流的表达式铝电解电容器的漏电流从等效电路可知，它是氧化膜介质的体积漏导电流IV和通过表面的漏导电流IS之和，如图1-7所示,其表达式为：ILC=IV+IS4.2.1体积漏导电流IV:因介质氧化膜的体积电阻RV:∵RV=ρ=ρ∴IV===0.714×107A图1-7电容器的漏电流示意图dSαUfKsOURVUkSOραUfUkSOγUf+-IISIVU第10页共35页b√ETαTk1T-k2ET式中:U—施加电压，V；k—腐蚀系数；SO—光箔几何面积，cm2；γ—氧化膜电导率，(Ω·cm)-1；ρ—氧化膜电阻率，Ω·cm；Uf—形成电压，V；α—形成常数，对于铝阳极箔α=1.4×107cm/V。另一表达式:∵C=×10-6μFRV=ρΩ∴IV===×CU=CU（A）=CU（μA）=KCU（μA）令K=假设铝氧化膜εr=8～10，ρ=1013～1014Ω·cm，则K值约为0.01～0.1,此值正好在CD11型和CD110型铝电解电容器K值的规定范围内,则IV≈(0.01～0.1)CUμA根据固体电介质电导理论可知，理想介质的欧姆定律可以适用到击穿电场强度E=106～107V/cm的范围。在弱电场下介质氧化膜电导率γ与电场强度