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(fèi)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(jī)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(jī)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(dá)80 ms/cm，閃火電壓達(dá)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(yuǎn)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(dá)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(dá)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(xiàn)：

[1] 徐友龍.鋁電解電容器技術(shù)的新進(jìn)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）