开关电源中电解电容寿命预测分析

开关电源中电解电容寿命预测分析
摘要：本文首先阐述了铝电解电容的失效机理探究，接着分析了电容寿命影响
因素，最后对电容寿命预测进行了探讨。

关键词：开关电源;电容;失效
引言：
在开关电源产品中，电解电容是不可或缺的关键储能与电能变换元件。

然而，在高纹波电流、高温的功率变换应用场合中，相对于其他电子元器件，电解电容
的寿命是最短的。

因此，电解电容是制约电源产品使用寿命的关键元件。

1铝电解电容的失效机理探究
1.1漏液
铝电解电容的工作电解液呈酸性,漏出之后会严重污染和腐蚀周围元器件和印
刷电路板。

同时,由于漏液而使工作电解质逐渐干涸,丧失了修补阳极氧化膜介质
的能力,导致电容器击穿或电参数恶化而失效。

1.2爆炸
当工作电压中交流成分过大,或氧化膜介质有较多缺陷,或存在Cl-、SO42-之类
有害离子时漏电流较大,电解作用产生气体的速率较快,且工作时间越长,漏电流越大,温度愈高,内气压愈高。

若电容密封不佳可造成漏液,密封良好时则引起爆炸。

1.3开路
在高温或潮湿环境中长期工作时可能出现开路失效,其原因是阳极引出箔片遭
受电化学腐蚀而断裂。

此外,阳极引出箔片和阳极铆接后如果未经充分压平,则由
于接触不良会出现间歇开路现象。

另外,阳极引出箔片和焊片的铆接部分由于氧化
也可引起开路。

1.4击穿
这是阳极氧化膜破裂,导致电解液直接与阳极接触而造成。

氧化膜可能因材料、工艺或环境条件等方面的各种原因而受到局部损伤,若在损伤部分存在杂质离子或
其他缺陷,使填平修复工作无法完善,则在阳极氧化膜上会留下微孔,从而造成击穿。

1.5电容量下降与损耗增大
在使用后期,由于电解液损耗较多,溶液变稠,电阻率因黏度增大而上升,使工作
电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗增大。

同时黏度增大的电解液难以充
分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜,使极板有限面积减小,引起容
量急剧下降,导致寿命近于结束。

此外,工作电解液在低温下由于黏度增大,也会造
成损耗增大与电容量下降。

1.6漏电流增加
赋能工艺水平低,所形成的氧化膜不够致密与牢固;开片工艺落后,氧化膜损伤
与Cl-黏污严重,工作电解液配方不佳,原材料纯度不高,电解液的化学性质与电化学
性质难以长期稳定;铝箔纯度不高,铁、铜、硅等杂质不但影响铝氧化膜向晶态结
构转变,还在电解质内组成微电池,使铝箔遭到腐蚀。

所有这些因素均可造成漏电
流超差失效。

2 电容寿命影响因素
2.1环境温度
电解电容失效机理显示，电解电容的老化失效是持续发生的化学过程，Rubycon公司基于阿氏模型与经验数据提供了电解电容的寿命预测模型公式：
式中：TR是产品手册给出的电容最高允许工作温度；TA是电容的实际工作环境温度；LR为产品手册给出电容在温度TR条件下特征寿命；LN为电容在温度TA 条件下的预测寿命。

其中表征了周围环境温度对电容寿命的影响。

在纹波电流一
定的情况下，可知电解电容的工作环境温度每下降10摄氏度，其使用寿命便会
延长1倍。

相反，环境温度每升高10摄氏度，其使用寿命就会缩短1倍，一旦
环境温度过高，超出电解电容的最高允许工作温度，将会造成电解电容中电解液
沸腾，产生内部过压并进行不可逆泄压动作，导致电解液泄漏，使电解电容永久
损坏。

因此，可通过尽可能降低工作环境温度，来延长电解电容的使用寿命。

2.2纹波电流
相较于金属化薄膜电容、陶瓷电容等其他类型电容，电解电容的损耗正切值tanδ较大，tanδ跟温度及电压相关，tanδ值越大，电容发热就越大，它是交流电压下介质中的能量损耗标称。

当交流分量电流流经电解电容时，相应损耗就会产
生并引起内部温升。

该温升对于电解电容预测寿命的影响也遵循公式（1），由
公式表征，C为与电容类型相关的常数，可以查询产品手册得到。

Tr与环境温度TA一起成为电解电容使用寿命的关键影响因子。

内部温升Tr可以通过测量得到，也可以通过纹波电流归一化算法得到，Rubycon公司提供了内部温升推算公式如下：
式中，Tr0为与电容类型相关的常数，kf是考虑到电解电容不同频率ESR不同，进而归一化到标准频率（如120Hz）的频率系数，这两个参数均可通过查询
产品手册得到，Irms和Irms0分别为当前和额定的纹波电流有效值。

温升导致的
热应力对电容的使用寿命有重大影响，因此，由纹波电流引起的损耗是影响电解
电容使用寿命的重要因子，现场使用时应尽可能减小电解电容的纹波电流。

2.3外形尺寸及安装方式
工作条件下的电解电容中心核温TJ是内部温升Tr与环境温度TA共同影响的
结果。

热应力是影响电解电容使用寿命的决定性因素。

如果电源内部空间允许，
应尽量选取外形尺寸较大的电容，增大散热面积，且电容间保持必要的间隔，将
有利于电容本体损耗热量的辐射与对流，有效降低电容的内部温升Tr，同时注意
电解电容的安装位置，远离发热源，靠近通风口，降低环境温度TA，进而降低电解电容中心核温TJ。

3 电容寿命预测
3.1威布尔（Weibull）分布寿命预测模型电容的可靠性一般可用威布尔分布
表示：
式中，R（t）为电容经过时间t可以正常运行的概率；tld为特征寿命；β为
形态参数常量，与电压，温度无关，β可以通过加速老化试验和现场故障数据确定，tld为稳态工作状态下的特征寿命，与温度、电压应力有关：
式中，tldco为电解电容在温度TR下使用寿命，Un和TR为额定电压和额定
温度，U和TA为实际工作电压和工作温度，Vscale为比例因子。

由公式（4）可
知除了降低电容的工作环境温度，还可将额定电压高的电容应用于实际运行电压
较低的工况（降额应用，降低电压应力），可以增加电容的安全边际，延长电容
的使用寿命。

3.2 Rubycon公司寿命预测模型
基于阿氏模型并根据经验数据测算，Rubycon公司提供了铝电解电容的预测
寿命LN测算公式（1）,此外，还提供了基于纹波电流归一化算法的内部温升Tr
测算公式（2）,以某核电站直流电源系统使用铝电解电容CO396800uF/160V/85℃，额定寿命LR=10000H，允许纹波电流Irms0=13.7A/100HZ，在环境为TA=50℃的
130V/50HZ、Urms=99.09mV的电路中使用，通过查询产品手册可知，Tr0=5℃，
C=0.571，Rs（ESR）=16mΩ，kf=0.8则可知Irms=Urms/Rs（ESR）
=99.09mV/16mΩ=6.19A，则通过公式(2)可得Tr=1.59℃，将LR、TR、TA、C、Tr带
入公式(1)可得预期寿命LN≈17.1年。

由公式(1)(2)可知，具体分析电解电容的使用寿命时，环境温度和纹波电流是
两个必须同时考虑的重要因素。

纹波电流和环境温度共同确定了电解电容的安全
使用范围及使用寿命。

在图1所示的安全工作区域内，环境温度越高，纹波电流
越大，电解电容的使用寿命就越短。

结束语：
铝电解电容作为短板元器件制约了电源产品的使用寿命，温度引起的热应力
是决定电解电容使用寿命的重要因素。

本文研究了以电压应力、环境温度为变量
的威布尔分布寿命预测模型、基于阿氏模型以环境温度、纹波电流温升为变量的Rubycon公司寿命预测模型，并测算了某核电站使用的铝电解电容的预期寿命，
结果与现场实际情况基本相符。

参考文献：
[1] 叶英豪. 基于关键器件的开关电源寿命预测[D]. 西安电子科技大学 2014
[2] 杨媛媛. 电力电子电路参数辨识与故障预测方法研究[D]. 南京航空航天大
学 2019(12)
[3] 向阳. 开关电源产品生命周期特征分析[J]. 电源世界. 2014(04)。