陈永真：一般用途电解电容器（4）

为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！

铝电解电容器的寿命

寿命是铝电解电容器的“软肋”，很多时候电子工程师也把电路的早期失效“归罪”与铝电解电容器的寿命，而不去分析设计存在的问题。任何一个电子器件或电子元件，如果应用不当，早期失效是必然结果，尽管这是一个相对小的概率时间，但是到了电子产品中就成为“必然”。

如果在应用每一个电子器件前，弄懂这个器件的基本性能，利用好其特性“伺候”好这个器件，这个器件就会好好的工作，不去“罢工”、“耍脾气”，电路才能好好的工作。

在实际的应用中，由于成本、体积和其他因素的折中考虑，应用时电子器件就不会应用在最好的状态，而可能工作在“亚健康”状态甚至是“过劳状态”，直接影响到电子线路的性能甚至会导致电子器件“年纪轻轻”就“过劳死”。

铝电解电容器就是这一类器件。因此需要清楚影响铝电解电容器的寿命因素，哪些是可以避免的、哪些是无法避免的、哪些是应用者有意无意的“恶性应用”。

1 铝电解电容器寿命的发展历程

为了解决电子线路的整流滤波需要大电容量电容器的需求，1921年也就是真空三极管放大器问世后的第7年，液态铝电解电容器问世，1938年由多空只浸渍的糊状电解质的“干式”铝电解电容器问世。

在原理上，由于铝电解电容器的负极是电解液，电解液的存在或多与少决定了铝电解电容器的电容量。如果，电解液干涸，铝电解电容器的负极“面积”就会大大减小，对应的电容量也随之大大减小，铝电解电容器寿命终了。

在真空管时代，铝电解电容器对体积的要求没有像现在这样苛刻。当年的铝电解电容器的体积远远大于现在的铝电解电容器。

当时的铝电解电容器会由于不同的封装形式而不同，纸筒封装的铝电解电容器价格低廉，在商业级电子线路中普遍应用，密封效果最差，寿命也是最短的。铝壳的铝电解电容器寿命则长得多，如果是军用级的密封式铝电解电容器则寿命更长。至今个别的上世纪40年代出品的铝电解电容器除漏电流稍大外耐压、电容量还存在，也就是说还可以“用”。

那个时代的铝电解电容器最高工作温度为+55℃。

随着集成电路的数字计算机的问世，特别是彩色电视机的普遍应用，要求铝电解电容器的最高工作温度不再是+55℃，而是85℃甚至是105℃，寿命也直截了当的提出在最高工作温度下不低于2000小时，而且体积也有要求。仅仅是彩色电视机中的高压铝电解电容器，我国走过了近20年的从研制到普遍应用的历程。

现在，我国成为铝电解电容器产量最大的国家，也开始走向铝电解电容器制造强国之路，国产优秀铝电解电容器性能并不比国外知名品牌同类产品差，甚至会更好一些。

现在的铝电解电容器的最高工作温度为：85℃、105℃、125℃、140℃甚至150℃。最高工作温度状态下的寿命最低2000小时，最高可超过10000小时。

2 铝电解电容器的温度与寿命的关系

铝电解电容器的工作或存储温度下的寿命是铝电解电容器寿命中最受关注的参数。不同的制造商会给出不同的寿命折算计算方法。给应用工程师带来应用的麻烦。

实际上铝电解电容器的工作寿命的计算方法最好是根据温度寿命曲线获得。如图1。

图1 铝电解电容器的温度寿命曲线

这是一款105℃、4000小时寿命的铝电解电容器。在额定纹波电流和最高环境工作温度条件下的寿命为4000小时。如果环境温度降低，如果流过铝电解电容器的纹波电流有效值为额定纹波电流值。则铝电解电容器的工作说明将随环境温度降低而升高。在额定纹波电流条件下接近于8度或十度法则。

但是随着工作纹波电流的上的上升，铝电解电容器的寿命会急剧缩短。不在遵循8度或十度法则。接下来就是看看纹波电流对铝电解电容器寿命的影响。

3 铝电解电容器寿命与施加的纹波电流的关系

一些铝电解电容器制造商会给出纹波电流的额温度补偿系数和频率补偿系数。这两个补偿系数经常会给应用工程师的感觉是，环境温度降低就可以通过更大的纹波电流，频率高了也会流过更大的纹波电流。

但是应用事实告诉我们，试图利用环境温度远低于最高环境温度而提高纹波电流的企图，最终的结局就是寿命远远低于预期。

也别指望高压铝电解电容器应用在高频（如工作在PFC状态）既可以利用频率补偿系数来提高工作纹波电流。

从图1的曲线会看到，随着纹波电流的增加，铝电解电容器的工作寿命将急剧缩短。例如黄晶温度为65℃时，额定纹波电流对应的寿命为大约为100 000小时多一点，而同样是环境温度75℃下工作纹波电流达到近2倍额定纹波电流时，对应的铝电解电容器实际寿命将降低到50000小时。更高的电流（如3倍的纹波电流），铝电解电容器将是禁止的，对应的寿命到底是多少，无法表述，但是有一点是肯定的，就是寿命极短。

相反，适当的降低纹波电流会增加铝电解电容器的使用寿命的。

在实际应用中，有很多的铝电解电容器早期失效事例中大部分是纹波电流超过额定纹波电流所致。

以下是几个纹波电流过大所导致的铝电解电容器早期失效应用实例：

应用案例一：一个倍压整流，用较小的电容量铝电解电容器为大电容量电容器充电，利用电容量的大小限制充电电流。结果这个用户向制造商抱怨其铝电解电容器寿命太短。受制造商委托，作者对其用户的铝电解电容器实际应用状态实际测试。测试波形如图2。

图2 倍压整流对大电容器充电过程中铝电解电容器流过的纹波电流

图中峰峰值电流达1.7A，对应的有效值电流也将达到330mA，而本实例所应用的是CD263/400V/22μF电解电容器的额定纹波电流为140mA，实际电流为额定电流2.4倍，属于严重过电流。

严重的过电流同时必然伴随着纹波电压幅度的额过高，如图3。

图3 倍压整流对大电容器充电过程中铝电解电容器流过的纹波电压

电解电容器端电压以50Hz的频率变化150V，这个一个严重的纹波过电压现象。

在这个事例中，要想保证铝电解电容器的寿命，需采用高纹波电流耐量的铝电解电容器。

不仅如此，这个实例中，铝电解电容器在大电容器充满电后还要承受极低频纹波电压冲击，如图4

图4 极低频率的电压脉冲施加到铝电解电容器

图中的充放电周期约3秒，对应频率约0.33Hz，充放电幅度为60V，这种极低频率的纹波电压冲击对一般用途铝电解电容器的寿命影响极大。

应用案例二：

反激式开关电源输出整流滤波电容器。

反激式开关电源在参数接近最佳状态下，输出整流滤波电容器流过的纹波电流约为输出电流平均值的120%。这就是说，反激式开关电源每输出1A平均值电流，就会有1.2A的有效值纹波电流流过输出整流滤波电容器。1000μF/25V的铝电解电容器的额定纹波电流大多在1.2A~1.5A左右，这就是说反激式开关电源每输出1A需要1000μF的电容量。小了不行。

某开关电源制造商给作者email说铝电解电容器早期失效，让作者出证是铝电解电容器质量问题，提出索赔。作者要了其铝电解电容器应用状态：330μF，1A输出电流平均值。作者回复：是使用问题，严重过电流。不是铝电解电容器质量问题。查330μF/25V铝电解电容器的额定纹波电流值在0.6A左右，而实际应用至少在1.2A，两倍的过电流，寿命将缩短到40%不到。

应用案例三：

还是反激式开关电源输出整流滤波电容器的应用问题。某开关电源标牌写的是输出电流5A，输出整流滤波电容器为两只1000μF/16V铝电解电容器，还是早期失效问题，索赔！

实际上如果按标牌应用，输出整流滤波电容器将流过6A有效值电流，远远超过1000μF/16V铝电解电容器的1.6A额定纹波电流。尽管铝电解电容器出现了水合反应现象，但是水合反应不能确定就是铝电解电容器早期失效的证据。需要的证据是，拿与出问题同型号、同批次未使用过的铝电解电容器送第三方按厂家所给的技术条件测试，以测试结果作为判定该款铝电解电容器是否早期失效的证据。

关于水合反应，高温大纹波电流也会产生水合反应，而过大的纹波电流可能是铝电解电容器用户在电路的设计和选型是不当造成。