電解電容的失效機理、壽命推算和防范質(zhì)量陷阱
信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2021-12-21
一、失效模式與因素概述
正極、負極引出電極和外殼都是是高純鋁，鋁電解電容器的介質(zhì)是在正極表面形成的三氧化二鋁膜，真正的負極是電解液，工作時相當一個電解槽，只不過正極表面的陽極氧化層已經(jīng)形成，不再發(fā)生電化學反應(yīng)，理論上為零，由于電極與電解液雜質(zhì)的存在，會引起微小的漏電流。從現(xiàn)象上看，鋁電解電容器常見的失效現(xiàn)象與失效模式有：電解液干涸、壓力釋放裝置動作、短路、開路（無電容量）、漏電流過大等。
鋁電解電容器應(yīng)用環(huán)境
如果鋁電解在質(zhì)量上沒有問題，失效問題的出現(xiàn)就是出現(xiàn)在應(yīng)用環(huán)境中。鋁電解電容器設(shè)計應(yīng)用環(huán)境主要有：環(huán)境溫度、散熱方式、電壓、電流參數(shù)等。對電容器的應(yīng)用者而言，短路、開路屬于“災難性的失效”，或曰“致命的失效”，使其完喪失了電容器的功能。其他幾類失效模式（即由第二類因素造成的失效），一般歸為“劣化失效”，或曰“耗盡失效”。
二、鋁電解電容的失效機理
耗 盡 失 效
耗盡失效（1）
通常電解器壽命的終了評判依據(jù)是電容量下降到額定（初始值）的80%以下。由于早期鋁電解電容器的電解液充盈，鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降。隨著負荷過程中工作電解液不斷修補倍雜質(zhì)損傷的陽極氧化膜所致電解液逐漸減少。到使用后期，由于電解液揮發(fā)而減少，粘稠度增大的電解液就難于充分接觸經(jīng)腐蝕處理的粗糙的鋁箔表面上的氧化膜層，這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小，即陽極、陰極鋁箔容量減少，引起電容量急劇下降。因此，可以認為鋁電解電容器的容量降低是由于電解液揮發(fā)造成。而造成電解液的揮發(fā)的最主要的原因就是高溫環(huán)境或發(fā)熱。
耗盡失效（2）
由于應(yīng)用條件使鋁電解電容器發(fā)熱的原因是鋁電解電容器在工作在整流濾波（包括輸出的高頻整流濾波）、功率電爐的電源旁路時的紋波（或稱脈動）電流流過鋁電解電容器，在鋁電解電容器的ESR產(chǎn)生損耗并轉(zhuǎn)變成熱使其發(fā)熱。
當鋁電解電容器電解液蒸發(fā)較多、溶液變稠時，率因粘稠度增大而上升，使工作電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大，導致電容器損耗明顯上升，損耗角增大。例如對于105度工作溫度的電解電容器，其最大芯包溫度高于125度時，電解液粘稠度驟增，電解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串聯(lián)電阻會產(chǎn)生更大熱量，造成電解液的更大揮發(fā)。如此循環(huán)往復，鋁電解電容器容量急劇下降，甚至會造成爆炸。
耗盡失效（3）
漏電流增加往往導致鋁電解電容器失效。
應(yīng)用電壓過高和溫度過高都會引起漏電流的增加
壓力釋放裝置動作
為了防止鋁電解電容器中電解液由于內(nèi)部高溫沸騰的氣體或電化學過程而產(chǎn)生的氣體而引起內(nèi)部高氣壓造成鋁電解電容器的爆炸。為了消除鋁電解電容器的爆炸，直徑8毫米以上的鋁電解電容器均設(shè)置了壓力
釋放裝置，這些壓力釋放裝置在鋁電解電容器內(nèi)部的氣壓達到尚未使鋁電解電容器爆炸的危險壓力前動作，泄放出氣體。隨著鋁電解電容器的壓力釋放裝置的動作，鋁電解電容器即宣告失效。
鋁電解電容器壓力釋放裝置（中間的十字）
電化學過程導致壓力釋放裝置動作
鋁電解電容器的漏電流就是電化學過程，前面已經(jīng)詳盡論述，不再贅述。電化學過程將產(chǎn)生氣體，這些氣體的聚積將造成鋁電解電容器的內(nèi)部氣壓上升，最終達到壓力釋放裝置動作泄壓。
溫度過高導致壓力釋放裝置動作
鋁電解電容器溫度過高可能是環(huán)境溫度過高，如鋁電解電容器附近有發(fā)熱元件或整個電子裝置就出在高溫環(huán)境；
鋁電解電容器溫度過高的第二個原因是芯包溫度過高。鋁電解電容器芯包溫度過高的根本原因是鋁電解電容器流過過高的紋波電流。過高的紋波電流在鋁電解電容器的ESR中產(chǎn)生過度的損耗而產(chǎn)生過度的發(fā)熱使電解液沸騰產(chǎn)生大量氣體使鋁電解電容器內(nèi)部壓力及急劇升高時壓力釋放裝置動作。
瞬時超溫
通常鋁電解電容器的芯包核心溫度每降低10℃，其壽命將增大到原來的一倍。這個核心大致位于電容器的中心，是電容器內(nèi)部最熱的點。可是，當電容器升溫接近其最大允許溫度時，對于大多數(shù)型號電容器在125℃時，其電解液要受到電容器芯包的排擠（driven），導致電容器的ESR增大到原來的10倍。在這種作用下，瞬間超溫或過電流可以使ESR永久性的增大，從而造成電容器失效。在高溫和大紋波電流的應(yīng)用中特別要警惕瞬時超溫發(fā)生的可能，還要額外注意鋁電解電容器的冷卻。
瞬時過電壓的產(chǎn)生
上電沖擊
上電過程中，由于濾波釋放儲能到濾波電容器中，導致濾波電容器的過瞬時過電壓。
上電過電壓示意
電容過電壓失效的防范
電容器在過壓狀態(tài)下容易被擊穿，而實際應(yīng)用中的瞬時高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。
選擇承受瞬時過電壓性能好的鋁電解電容器，RIFA有的鋁電解電容器就給出了瞬時過電壓值得參數(shù)。
電解液干涸是鋁電解電容器失效的最主要原因
電解液干涸的原因
電解液自然揮發(fā)
電解液的消耗
電解液自然揮發(fā)
電解液的揮發(fā)速度隨溫度的升高
電解液的揮發(fā)速度與電容器的密封質(zhì)量有關(guān)，無論在高溫還是在低溫條件下都要有良好的密封性
電解液的消耗
漏電流所引起的電化學效應(yīng)消耗電解液
鋁電解電容器的壽命隨漏電流增加而減少
漏電流隨溫度的升高而增加：25℃時漏電流僅僅是85℃時漏電流的不到十分之一漏電流隨施加電壓升高而增加：耐壓為400V的鋁電解電容器在額定電壓下的漏電流大約是90%額定電壓下的漏電流的5倍。
電解液干涸的時間就是鋁電解電容器的壽命
影響鋁電解電容器壽命的的因素（溫度1）
根據(jù)鋁電解電容器的電解液的不同，鋁電解電容器的最高工作溫度可分為：
一般用途：85℃
一般高溫用途：105℃
特殊高溫用途：125℃
艙：140~150℃
影響鋁電解電容器壽命的的因素（額定壽命小時數(shù)）
按壽命小時數(shù)鋁電解電容器可以分為：
一般用途（常溫，3年以內(nèi)）：1000小時
一般用途（常溫，希望比較長的時間）：2000小時以上
工業(yè)級：更長的壽命小時數(shù)
影響鋁電解電容器壽命的的因素（溫度2）
溫度每升高10℃，壽命小時數(shù)減半
影響鋁電解電容器壽命的的因素（電解液）
電解液的多與寡決定鋁電解電容器的壽命
影響鋁電解電容器壽命的的因素（應(yīng)用條件）
高溫縮短鋁電解電容器壽命
高紋波電流縮短鋁電解電容器壽命
工作電壓過高縮短鋁電解電容器壽命
影響鋁電解電容器壽命的參數(shù)與應(yīng)用條件
工作電壓與漏電流的關(guān)系
工作電壓與漏電流的關(guān)系
某公司生產(chǎn)的450V/4700μF/85℃鋁電解電容器的漏電流與施加電壓的關(guān)系
溫度與漏電流的關(guān)系
某公司生產(chǎn)的450V/4700μF/85℃鋁電解電容器的漏電流與環(huán)境溫度的關(guān)系
溫度、電壓、紋波電流共同作用對壽命的影響
以某電子鎮(zhèn)流器用鋁電解電容器為例。
在不同的電壓與溫度條件下的鋁電解電容器壽命不同
某電子鎮(zhèn)流器用鋁電解電容器降額壽命特性
某電子鎮(zhèn)流器用鋁電解電容器的過電壓壽命特性
鋁電解電容器的壽命與溫度、紋波電流的關(guān)系
三、鋁電解電容器壽命電容推算方法
簡單壽命推算
根據(jù)ESR、熱阻、紋波電流推算壽命
根據(jù)溫度、紋波電流與壽命的關(guān)系推算壽命
簡單壽命推算方法1
不含有紋波電流工作狀態(tài)的鋁電解電容器的推算：基本依據(jù)為“10℃法則”，即環(huán)境溫度每上升10℃壽命減半，反之亦然，這個“10℃法則”是在零紋波電流條件下適用。在鋁電解電容器流過比較大的紋波電流時不一定適用。
簡單壽命推算方法2
國產(chǎn)某些品牌鋁電解電容器推薦的方法
日本品牌鋁電解電容器推薦的方法
基本思路
在額定電壓下，鋁電解電容器的壽命可以由以下公式計算。
其中，L和L0分別為：實際環(huán)境溫度T時的壽命和額定最高溫度T0時的壽命。可以看到，鋁電解電容器的使用壽命隨溫度下降每10℃，壽命增加一倍，即所謂10℃法則。因此，無論是使用還是存儲，鋁電解電容器均應(yīng)在盡量低的環(huán)境溫度下為好。例如85℃/1000小時的鋁電解電容器在45℃使得實際壽命為{{16000:0}}小時，折合為1年零10個月；29℃時為{{48000:0}}小時，折合為5年零6個月；而1000小時折合為42天?？梢钥吹?，降低溫度對延長鋁電解電容器壽命的重要性。
圖解計算
存在的問題
上述三種推算方法僅適用于存儲狀態(tài)和無紋波電流（很小紋波電流）的工作狀態(tài)（如隔直電容、小信號電路的旁路電容）。對于明顯含有紋波電流的工作條件時，上述方法不一定適用，這時應(yīng)將紋波電流的效應(yīng)考慮在應(yīng)用條件中。
考慮紋波電流時的壽命推算方法
鋁電解電容器的發(fā)熱由于內(nèi)部等效串連電阻（ESR）引起，其產(chǎn)生的損耗為：
?。?.16）
其中I和R（ESR）分別為：紋波電流（A）和等效串聯(lián)電阻（Ω）。由于發(fā)熱引起的溫升為：
?。?.17）
其中△T、I、A、R（ESR）、H分別為：電容器中心的溫升（℃）、紋波電流(A)、電容器的表面積(Cm2) 、ESR (Ω)、散熱系數(shù){1.5～2.0)×10-3W/（Cm2×℃）}。
公式（5.17）表示了電容器的溫度上升與紋波電流的平方以及等效串聯(lián)電阻ESR成正比，與電容器的表面積成反比，因此，紋波電流的大小決定著產(chǎn)生熱量的大小，且影響其使用壽命，電容器的類型以及使用條件影響著△T值的大小，一般情況下，△T<5℃。圖5.26表示紋波電流引起的溫升的處。
鋁電解電容器的溫度
利用測試結(jié)果，并考慮到環(huán)境溫度和紋波電流時的壽命公式：
?。?.18）
其中，L、L0、K、T0、T、△T分別為：實際使用壽命、直流工作電壓下的使用壽命、紋波電流系數(shù)（實際紋波電流有效值與額定紋波電流有效值之比，K=2時，紋波電流在允許的范圍內(nèi)，K=4時為超過紋波電流范圍）、最高使用溫度、工作溫度、中心溫升。
電容器工作在額定的紋波電流和上限溫度時，電容器的壽命可通過轉(zhuǎn)化（5.18）式得到，如下：
（5.19）
其中，L0、△T0分別為：工作在額定紋波電流和最高工作溫度下的壽命（小時）、最高工作溫度下的電容器中心容許溫升。
實際上式（5.18）和式（5.19）所表述的是在測試到電容器殼的溫度后所得，而并不知道紋波電流的大小，如果知道紋波電流的大小，可以將式（5.19）改為：
?。?.20）
其中，I0、I分別為：最高工作溫度下的額定紋波電流（A）：實際的紋波電流（A）。
問題
按照式（5.17）存在的問題就是散熱系數(shù)的確定，生產(chǎn)廠商不給出用戶就無法精確計算，如果粗略估算將會產(chǎn)生至少30%的偏差。由于直接測量電容器的內(nèi)部溫升存在著困難，可以利用下表列出了表面溫度和芯包溫度的換算關(guān)系。
鋁電解電容器芯包與外殼溫度的關(guān)系
問題
以上的壽命的推算公式，原則上適用于周圍環(huán)境溫度為+40℃到最高工作溫度范圍內(nèi)，但由于封口材料的老化等因素，實際的推算壽命時間一般最大為15年。
式5.17到式5.20的表述與計算均非常麻煩，而且由于測試以及個體電容器的導熱差異而使推算結(jié)果很不準確，僅能作為近似估計值。
問題
如果想得到比較準確的推算結(jié)果，最好的方法是利用電容器生產(chǎn)廠商所給的溫度壽命曲線。比較負責任的國外鋁電解電容器廠商能均給出鋁電解電容器壽命與環(huán)境溫度及紋波電流的關(guān)系曲線。
根據(jù)ESR、熱阻、紋波電流推算壽命
EPCOS的B{{43550:0}}規(guī)格的鋁電解電容器壽命與溫度、紋波電流的關(guān)系
RIFA的壽命推算方法
根據(jù)功率損耗、熱阻、實際的ESR推算壽命
為計算鋁電解電容器的工作壽（LOP），必須知道：
工作電壓（Uapplied），
流過鋁電解電容器的紋波電流的有效值(IRMS)，
環(huán)境溫度(Ta)
熱阻(Rth) 。
相關(guān)公式
推算方法
首先，在ESR矩陣中，查出不同頻率及芯包溫度(Th)時對應(yīng)的“ESR”值，然后計算出紋波電流IRMS流過鋁電解電容器時產(chǎn)生的“功率損耗（PLOSS）”。若IRMS由多次諧波構(gòu)成，則需計算每次諧波產(chǎn)生的功率損耗并依次相加。電容繞組芯包至環(huán)境溫度的“熱阻值”可以在“熱阻矩陣”查出，由此可以計算出實際“芯包溫度(Th)”，若此實際值與先前選取ESR值時的假設(shè)值Th不符，則需修正假設(shè)，重新查出ESR值，重復疊代計算，直至結(jié)果吻合。
這種推算是最準確的！
需要的條件：
電容器的熱阻參數(shù)
ESR參數(shù)
不同廠商的鋁電解電容器的熱阻是不同的！
四、購買鋁電解電容器需要注意的問題
不要應(yīng)用來路不明的鋁電解電容器（1 ）
為什么不要應(yīng)用來路不明的鋁電解電容器？最根本的原因是我國的電子元件市場曾經(jīng)歷過拆機件、水貨、假貨充斥市場情況。隨著時代的發(fā)展，這種現(xiàn)象越來越少。
但是需要注意的是，半導體器件尚可用拆機件，而鋁電解電容器絕不能應(yīng)用拆機件！原因是鋁電解電容器的壽命在各類電子元件中壽命是最短的。國外報廢的電子產(chǎn)品的拆機件中，鋁電解電容器的剩余壽命是最少的。如果僅僅是做實驗還能勉強，如果試作產(chǎn)品，其結(jié)果是可想而知的。
不要應(yīng)用來路不明的鋁電解電容器（2）
套膜是偽劣鋁電解電容器“翻新”的常用手法。通常將買來的鋁電解電容器套上升兩檔標注額定電壓的新套膜，其印刷水平可以以假亂真。
鋁電解電容器的“偷電壓”
由于鋁電解電容器的浪涌電壓是額定電壓的1.15倍，對于350V耐壓的鋁電解電容器的浪涌電壓為402V，高于220V+20%對應(yīng)的整流峰值電壓370V；而對于300V額定電壓的鋁電解電容器的浪涌電壓為345V，可
以滿足243V交流有效值輸入電壓。如果用額定電壓為300V的陽極箔替代額定電壓400V的陽極箔將會大大降低鋁電解電容器的成本。有的鋁電解電容器生產(chǎn)廠商就是采用這種“偷電壓”的方法降低生產(chǎn)成本。
偷“電壓”的后果
在一般的應(yīng)用中，為了避免過大的漏電流，延長鋁電解電容器的壽命，通常要降低鋁電解電容器的使用電壓，一般取0.9以下。
如果選用了偷“電壓”的鋁電解電容器就將已經(jīng)留出的電壓富裕量喪失殆盡，甚至可能使工作電壓超過額定電壓，這就使漏電流大大增加，從而大大的減少了鋁電解電容器的壽命。
拆機件
拆機件通常是國外報廢的電子設(shè)備上的元件，如果拆的精心，多數(shù)器件經(jīng)過篩選在一般性能上看還是可以用的。唯有鋁電解電容器是絕對不能用的。
其原因是，鋁電解電容器的壽命相對而言太短了，在額定溫度下僅1000~4000小時盡管大多數(shù)鋁電解電容器生產(chǎn)廠商宣稱在40℃可以用10年甚至幾十年，但是應(yīng)用環(huán)境是不可預知的，如的內(nèi)部溫度遠遠不止45℃！因此，幾年下來，鋁電解電容器所剩下的有效壽命一般很低，不能用于電子產(chǎn)品。
翻新鋁電解電容器
翻新鋁電解電容器也比較惡劣，通常是收集國外下線鋁電解電容器，重新浸電解液后封裝。盡管國外著名鋁電解電容器檢測比國內(nèi)嚴格，有些下線的鋁電解電容器性能還是接近于國內(nèi)正品率電解電容器。但是，其性能還是不如國內(nèi)正牌鋁電解電容器。
下線電容器（一）
在國內(nèi)電子市場上可以看到下線鋁電解電容器，通常是一些不負責任的銷售商為了獲得市場競爭力，到鋁電解電容器生產(chǎn)廠收購下線鋁電解電容器，剔除沒有電容量和擊穿的后拿到市場上銷售。
下線鋁電解電容器的特點是，用測試電容量是正常的。但是如果測試漏電流則會看到下線的鋁電解電容器的漏電流和損耗因數(shù)高于正品鋁電解電容器。而漏電流和損耗因數(shù)用戶一般是不測試的。
下線電容器（二）
這種下線的鋁電解電容器作為電容器時會導致后極的偏置電壓偏移，但是又找不出原因；如果用于延遲應(yīng)用時，會出現(xiàn)延遲時間明顯小于設(shè)定值或延遲時間不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這是因為鋁電解電容器在施加直流電壓后漏電流回見效的原因。
由于下線鋁電解電容器的漏電流大，實際壽命明顯短于預期壽命，例如預期壽命為5年，實際上只有2~3年。這在電子產(chǎn)品的使用初期是根本看不到的。從這里也會看到9000系列質(zhì)量認證的重要性。
如果下線鋁電解電容器用在大紋波電流或高溫的應(yīng)用是極其危險的，其原因是過高的漏電流會導致鋁電解電容器在大紋波電流或高溫應(yīng)用時的溫度更高，輕者壽命縮短，嚴重時會導致鋁電解電容器“爆漿”而失效。
套膜電容器
套膜是偽劣鋁電解電容器“翻新”的常用手法。通常將買來的鋁電解電容器套上升兩檔標注額定電壓的新套膜熱縮管，其印刷水平可以以假亂真。例如將額定電壓250V的鋁電解電容器換上額定電壓400V的鋁電解電容器，這樣的鋁電解電容器的“價值”將翻番甚至更高。套膜鋁電解電容之制造這就是鉆了應(yīng)用時通常要電壓降額的習慣，在電壓降額后可能正好是套膜鋁電解電容器的浪涌電壓值，在這個電壓下，套膜鋁電解電容器還是能用一段時間的。
國外電解電容器廠商的問題
有的國外鋁電解電容器制造商在為發(fā)達國家供貨時是優(yōu)質(zhì)電解電容器。
而為我國供貨時的電容量總是負偏差，其質(zhì)量不如為發(fā)達國家供貨的品質(zhì)。
其原因除了有歧視我國外，最主要的是在我國，他們的鋁電解電容器買不出價格，只能在偷電容量上補償。
為了降低在我國市場的售價，國外鋁電解電容器生產(chǎn)廠商往往推出的是壽命相對短的“經(jīng)濟型”鋁電解電容器，如CDE就轉(zhuǎn)為我國推出2000小時的鋁電解電容器，這是在歐美市場上看不到的，因此，不要以為國外的鋁電解電容器壽命都長。
測試鋁電解電容器耐壓的簡單方法
可能性：鋁電解電容器的介質(zhì)膜是通過陽極氧化方式獲得，因此，短時間的小電流“擊穿”不會損壞鋁電解電容器
基本方法：將鋁電解電容器串聯(lián)一10k電阻；緩緩增加所施加的電壓，保持充電電流在1mA以下（對應(yīng)電阻上的電壓低于10V），直到即使不繼續(xù)增加所施加的電壓電流仍不降低時對應(yīng)的電壓就是電解電容器的擊穿電壓；這個電壓的90%就是電解電容器的額定電壓這種方法只適用于鋁電解電容器
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