極低等效串聯(lián)電阻鋁電解電容器性能研究
1 市場背景及應(yīng)用前景分析
鋁電解電容器是電子和電氣線路中極為重要的基礎(chǔ)電子元件之一,應(yīng)用極其廣泛,它在電子線路中起到了濾波、旁路、去耦等作用[1];隨著電子設(shè)備小型化、高性能化、節(jié)能化等需求的不斷提高,控制線路中,低壓段(一般指≤ 100 V)鋁電解電容器在尺寸縮小的同時,使用頻率不斷提升,為滿足使用要求,持續(xù)降低電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)是鋁電解電容器一個主要的發(fā)展方向。雖然目前已有固態(tài)電容在一些中高端使用場合替代了普通液態(tài)的電解電容,考慮到普通液態(tài)鋁電解電容器具有無與倫比的成本優(yōu)勢,開發(fā)更低ESR 鋁電解電容器仍有廣泛的市場需求。本公司開發(fā)的極低ESR 鋁電解電容器目前已廣泛使用在汽車電子、充電樁、伺服驅(qū)動、通信電源、逆變器、智能三表、消費類電子等各類型電子設(shè)備控制電路中。
2 現(xiàn)有產(chǎn)品與日系產(chǎn)品
ESR指標(biāo)差異日系低ESR 電容在一些高端使用場合占據(jù)主導(dǎo)地位,主要原因在于其具有更高的壽命與更低的ESR 值,我公司原有高頻低阻抗系列電容與日系有一定差距,現(xiàn)有產(chǎn)品與日系電容數(shù)據(jù)對比如表1。
3 降低產(chǎn)品ESR的主要途徑
3.1 提升電解液電導(dǎo)率
電解液是鋁電解電容器真正的陰極,電容器充放電過程中內(nèi)部陰陽離子分別向正負(fù)極鋁箔表面移動,電導(dǎo)率越高的電解液離子移動速度快,熱損失越小,產(chǎn)品的ESR就越小,因此提高電解液電導(dǎo)率是降低產(chǎn)品ESR的一個主要途徑[2]。格力新元原有25 V 產(chǎn)品采用電導(dǎo)率為50 ms/cm 的電解液,含水率為55% 左右,水作為優(yōu)良的溶劑,對溶質(zhì)的溶解度較高,并且可以加快離子在電場中移動速度,繼而提高電解液電導(dǎo)率,但是過多的水分如果使用不當(dāng)會導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生水合反應(yīng),嚴(yán)重者會導(dǎo)致電容器失效。水既可以和Al2O3介質(zhì)氧化膜反應(yīng)又可以直接和鋁反應(yīng),反應(yīng)機理如下:
通常情況下,會采用磷酸及其無極化合物作為抑制水合反應(yīng)的添加劑,但是隨著水含量比例增加,磷酸及其無極化合物抑制水合反應(yīng)效果逐漸衰減,并且考慮電解液閃火電壓等性能,添加比例只能控制在1% 以下。通過研究發(fā)現(xiàn),我們選用一種新型有機化合物的防水合添加劑,添加含量在8%~10% 時,即使70% 的含水量的電解液也不會發(fā)生水合反應(yīng),所開發(fā)的電解液電導(dǎo)率達80 ms/cm,閃火電壓達90 V 以上,可滿足25 V 以下工作電壓電容器的使用;
如圖1 給出的閃火電壓測試曲線。
3.2 電解紙的選用
不同電解紙的選用對電容器ESR 影響極大。電解紙密度越高、厚度越厚其耐壓性能越好,但所做電容ESR則越大,即使相同密度和厚度,不同的纖維結(jié)構(gòu)ESR也會不同,因此在保證耐壓的同時,降低紙密度以及選擇更優(yōu)質(zhì)纖維材料是電解紙開發(fā)的一個方向。低壓電容器用不同電解紙性能對比如表2。
從上表中可看出MJ2 電解紙在相同密度和厚度情況下,ESR 值遠小于SM2 系列電解紙。本次研究項目中,我們選用了MJ2 系列電解紙,確保了產(chǎn)品ESR 指標(biāo)的達成。
3.3 負(fù)極箔的選用
在本文所列舉的市場應(yīng)用中,有些應(yīng)用場合對電容壽命要求較高,比如通信電源、智能三表等行業(yè)壽命要求105℃ 10 000 h 以上,在長壽命的電容設(shè)計上,負(fù)極箔也是不能忽視的一個重要材料,在電容器長期使用過程中,負(fù)極鋁箔內(nèi)部雜質(zhì)的存在會導(dǎo)致產(chǎn)品漏電流上升,從而影響電容器的使用壽命,常規(guī)設(shè)計電容一般選用≥ 98% 純度的負(fù)極箔,本次研究項目我們選用了≥ 99.4% 的高純負(fù)極箔,確保產(chǎn)品壽命指標(biāo)的達成。
3.4 膠塞的選用
膠塞在電容器中主要起密封的作用,本次項目研究我們選用的電解液具有電導(dǎo)高、含水量高的特點,電解液的飽和蒸氣壓偏高,密封性能尤為重要,密封性能不好,電解液揮發(fā)速度變快,電容器容量衰減就會加速,會過早導(dǎo)致電容器的失效。我們選用了密封性能好的丁基膠材質(zhì)的膠塞,確保電容器在壽命期內(nèi)的密封性能及使用壽命。
4 新開發(fā)出產(chǎn)品的性能指標(biāo)
結(jié)合上述的設(shè)計思路,我們制作的極低ESR 電容25V470,ESR 指標(biāo)略優(yōu)于日系同類產(chǎn)品。產(chǎn)品數(shù)據(jù)如表3 所示。
電容通過了105℃,7 000 小時的壽命試驗,未出現(xiàn)水合導(dǎo)致的漏電流增加、外觀鼓底等不良現(xiàn)象,高溫負(fù)荷壽命數(shù)據(jù)如表4 所示。
參考文獻:
[1] 徐友龍.鋁電解電容器技術(shù)的新進展[J].電子元件與材料,2008 ,27(9):5-7.
[2] 崔志武,韋春才,李和太,等.鋁電解電容器[M].北京:學(xué)苑出版社,1990.
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期)
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