1、電解電容的基本原理和結(jié)構(gòu)

我們最初學習電容器的原理的對象基本都是平板電容器，在兩個平板之間放入電介質(zhì)，這就構(gòu)成了最簡單一個電容器。 并且有 平板式電容計算公式：C=ε ε0 S/d; 式中：電容C，單位F； ε 相對介電常數(shù)； ε0真空介電常數(shù)8.86×10（-12方）單位F/m； 面積S，單位平方米； 極板間距d，單位米。 根據(jù)公式，可以看出：如果需要增加電容器的容量，在電介質(zhì)不變的情況下，需要增加平板的面積，縮小平板之間的間距。 電解電容在結(jié)構(gòu)上就是將平板電容器卷起來以獲得足夠大的容量，市面上鋁電解電容產(chǎn)品的容量一般在0.47uF~10000uF。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

平板電容器模型電介質(zhì)一般都采用固態(tài)電介質(zhì)，依靠電荷的極化來儲存能量，電解電容內(nèi)含有液態(tài)電解液。 離子是導電的，因此需要一個絕緣的隔膜進行“絕緣處理”。 這就是陽極的化成處理，可以簡單認為將Al的表面進行氧化處理，獲得不導電的Al2O3。 這個陽極氧化層的厚度決定了電容的耐壓并且充當電容器的電介質(zhì)。 而陰極不做處理，只自然氧化形成很薄的Al2O3，可以認為和純鋁沒有區(qū)別。 陰極氧化層的耐壓非常低，常溫下大約在1~1.5V，因此鋁電解電容禁止反接電壓。

如圖1-1、1-2所示，陽極和陰極中間夾著浸滿電解液的隔離紙。 卷成圓柱狀后通過鋁殼封裝，并在鋁殼上方壓制出防爆閥，用于失效時反應氣體的排放。

圖1-1 電解電容疊層

圖1-2 電解電容外殼封裝

1.2 電容的充放電與自修復反應

如圖1-3，當陽極加正電壓，陰極加負電壓，陽極中金屬Al的電子被拉到陽極，靠近氧化層的Al失去電子形成Al3+離子。 中間的氧化層Al2O3不導電，因此O2-離子無法進入陽極和Al3+離子發(fā)生氧化反應。 正離子沿著電場的方面，負離子逆著電場的方面移動。 正離子集中在陽極，負離子集中在陰極，形成電荷能的存儲。 當電場消失，正負離子恢復到原始位置，電場能量被釋放。

鋁電解電容有一個有趣的自修復功能：如果電容的氧化層老化，絕緣耐壓變低，電解電容能夠通過自身的電解液反應重新將氧化層進行修復。 如圖1-4所示，在電場的作用下，缺失的氧化層通過陽極的Al3+離子和O2-離子的氧化反應生成新的Al2O3氧化層。 需要注意的是，這種修復反應不能太劇烈，如果電壓過高，擊穿氧化層，產(chǎn)生大量的氧化還原反應，會釋放出大量的H2氣體，從而引起電容爆炸。

同樣的，陰極也存在氧化層（自然形成），這個氧化層非常脆弱，很小的反向電壓就能擊穿。 擊穿后的“陰極”（加上了正電壓），發(fā)生劇烈的氧化反應，“陽極”氧化層附近發(fā)生還原反應，產(chǎn)生H2，引發(fā)爆炸。

圖 1-3 電解電容中電荷的移動

圖 1-4 自修復反應

2、電解電容的主要參數(shù)

2.1 電解電容的耐壓

電解電容的耐壓受到氧化層厚度的影響，如果電壓過高會擊穿氧化層：電解液將和陽極鋁發(fā)生氧化反應，陰極則會發(fā)生還原反應，最終引起電容“爆漿”。 一般選擇電容的耐壓需要大于最高母線電壓的1.25倍。

2.2 電解電容的容量

電解電容的容量影響電容的提供脈動電流的能力，在功率電路中需要電容容量滿足功率輸出。 由于電解電容較大的ESR，常常需要多個電容進行并聯(lián)使用，使用的容量會遠大于計算需要的容量。

2.3 電解電容的溫度和壽命計算

電容的溫度和壽命有最直接的關(guān)系，因為鋁電容的電解液會逐漸揮發(fā)而導致電容減小甚至失效，隨溫度升高揮發(fā)速度加快。 溫度每升高10℃，電解電容的壽命會減半。

2.4 電解電容的耐紋波電流、電壓以及ESR

電解電容的耐紋波電流是根據(jù)電容的自發(fā)熱和散熱能力進行界定的，ESR越大的電容，相同紋波電流下?lián)p耗越大。 損耗一方面影響電路的轉(zhuǎn)化效率，另外一方面也加大了電容的損耗，引起電容內(nèi)部溫度的升高。

2.5 封裝和尺寸

電解電容的尺寸較大，在大功率能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，需要綜合考慮電容的尺寸和散熱，以及和整機結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

3、電路應用設計要點

3.1 損耗角和ESR計算

電解電容在充放電的過程中，由于電荷在運動過程中的摩擦會存在一定的能量損失，這個被電容內(nèi)部消耗的能量通常采用損耗角進行標注。 如圖3-1所示，理想條件下，電容電流應該超前電壓90°，損耗角的存在導致電流的超前角（π/2-δ）減小了。 如果將電容的阻抗分量分解為電阻分量R和容抗分量Xc，那么他們之間存在一個夾角δ，這角度δ和阻抗的角度是一致的（忽略等效電感ESL）。 如圖3-2，可以計算出tanδ=R/Xc=2πfCR（式3-1）。

圖 3-1 電容電流電壓角度關(guān)系

圖 3-2 電容損耗角

這里我們將損耗等效在一個電阻上，如圖3-3等效電阻特性曲線。 這個電阻一般由三個部分組成：1、氧化層的絕緣損耗，主要由于極化過程中的遲滯損耗，隨著頻率的增加而減小； 2、電解液的內(nèi)阻，受溫度和頻率影響較大； 3、電解電容內(nèi)部金屬導體等效電阻（引線，鋁箔），該部分電阻和金屬電阻特性一致。 一般在電解電容的規(guī)格書給出的是在120Hz測試獲得的損耗角（圖3-4），在實際的開關(guān)電源或者逆變系統(tǒng)中開關(guān)頻率較高（>10KHz）,需要按照式3-1計算出在該頻率條件下的等效ESR。

圖 3-3 ESR 分量組成

圖 3-4 某電容ESR規(guī)格

3.2 阻抗特性

如圖3-5，電解電容除了電容和等效電阻ESR，還有等效電感ESR，主要由其金屬箔和引線組成。 隨著頻率的升高，電容的特性就“短路”了，感抗分量開始上升，阻抗特性曲線如圖3-6。 在進行功率電容計算中，一般可以忽略ESL，因為拐點頻率一般都很高（5~10MHz），功率譜在該頻率點衰減已經(jīng)十分小了。 但是，在電容應用的濾波電路中，這個寄生參數(shù)的ESL就顯得很重要，尤其是在高頻電子線路應用中，這里就不展開了，感興趣可以參考文獻3。

圖3-5 電解電容等效電路

圖3-6 電解電容阻抗特性

3.3 紋波電流

紋波電流和ESR的關(guān)系非常密切，同時紋波電流能夠在ESR上引起電容的自發(fā)熱，如果發(fā)熱嚴重還會影響到電容的使用壽命。 頻率升高，ESR下降，紋波電流就越容易流過，所以規(guī)格書一般會給出rated ripple 和 頻率修正系數(shù)，如圖3-7 所示：

圖3-7 紋波電流頻率修正系數(shù)

3.4 壽命評估

影響到電解電容的壽命最主要的因素是其電解液的壽命，隨著時間增加，電解液會蒸發(fā)，并且溫度越高蒸發(fā)的速度越快。 隨著電解液的蒸發(fā)，電容的容量減小，損耗角增加。 圖3-8 所示，鋁電解電容的劣化故障（電解液蒸發(fā)）和故障率之間的關(guān)系。 圖3-9 所示，電解液對電容特性的影響。

圖3-8 鋁電解電容的劣化故障

圖3-9 特性劣化和電解液量關(guān)系

溫度每升高10℃，電解電容的壽命會減半，圖3-10 公式所示：Tmax，L0是規(guī)格書給出的預估壽命和溫度條件，Ta是電容實際的工作溫度。 一般規(guī)格書中，會給出105℃條件下的壽命（2000hours），根據(jù)這個基準結(jié)合電容環(huán)境溫度和電容自熱溫度進行壽命評估。

圖3-10 電解電容壽命隨溫度計算公式

3.5 電容應用的一般指標

下面列舉了一些電解電容應用過程中常用的降額參數(shù)，可供大家在進行電路設計的時候進行參考。

額定電壓：選擇電壓大于最大母線電壓的1.25倍

電容容量：系統(tǒng)額定工況下，母線電壓波動不超過±5%，進行容量計算

紋波電流：系統(tǒng)額定工況下，紋波電流不超過額定值的85%

自熱溫度：一般要求不超過5℃

電容壽命：根據(jù)系統(tǒng)壽命要求進行評估