大容量超高压铝电解电容器的研究_廖振华

W / % 30 ～ 50 20～ 35 5 ～ 10 4 ～ 8 5 ～ 10 0. 1～ 2
2. 2 防芯子变形的设计 大容量超高压铝电解电容器产品一般用于大型
电子设备 , 使用过程中时常会出现内部压力值过大 的情况. 例如当电子设备发生故障 , 或者在误操作的 情况下 , 往往会将一个超出额定值的电压或者一个 反向电压加到电解电容上. 在电解电容上加上一个 超出正常值的电压 , 由于氧化铝膜的生成及超常发 热等原因 , 促使电容器内部压力上升. 即使在正常情 况下使用电解电容 , 如果在电容上长时间施加一定 的电压 , 由于阳极氧化铝膜的自修复作用 , 也会产生 气体 , 并使电解电容内部压力逐渐上升. 大容量超 高压铝电解电容器常设计为这样一种结构 , 一旦内 部压力超过某一定值 , 压力阀动作 , 从而防止发生电 容器破裂等危险 , 但由于大容量超高压铝电解电容 器外形尺寸超大 , 相应的芯子尺寸也超大 , 当内部压 力过大引起压力阀动作后 , 芯子在气体冲击下时常 会发生局部挤压变形(见图 1(a)所示), 导致阳极箔 与阴极箔发生短路 , 甚至可能引发燃烧事故.
收稿日期 :2006-05-15 作者简介 :廖振华(1979-) , 女, 硕士, 深圳清华大学研究院工程师 , 研究方向为新型电化学器件, liaozh01@mails. tsinghua.edu. cn.
第2期
廖振华 , 徐永进等 :大容量超高压铝电解电容器的研究
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大体积的铝电解电容器在工作时 , 由于内部发热和 阳极氧化铝膜自我修复作用 , 电容器内部的压力值 和热值增长迅速 , 避免电容器发生破裂甚至燃烧事 故是研制的难点 ;④ 大容量超高压铝电解电容器最 大外形尺寸已达 Υ100 m m ×250 mm , 相应 阳极箔 的几何面积可达数平米 , 在其上焊接引箔条时由于 引箔条多 、焊接点多 , 阳极氧化膜的损伤面较大 , 在 老化时易导致电容器击穿. 因此 , 减少阳极氧化膜损 伤面 、提高老化合格率是研制中重点考虑的问题.
大容量超高压铝电解电容器的工作电解液. 经优化
试验所得的超高压工作电解液配方如表 1 所示. 电
解液性能参数 :σ30 ℃ ≈0. 5 ms / cm , U s ≥600 V , pH = 5. 5 ～ 6. 5.
组分
表 1 超高压工作电解液
带支链 乙二醇 二甘醇 的羧酸
铵盐
硼酐
高分子 添加剂 聚合物 和液氨
第
30 卷 第 2 2007 年 4 月
期
电子器件
Chinese Journal Of Electron Devices
Vol. 30 No. 2 Apr. 2007
Research of High Capacitance and Extra-High Voltage Aluminum Electrolytic Capacitors
在溶质方面 , 为了使工作电解液具有极高的闪 火电压 , 选用硼酐和带支链的长碳链羧酸铵盐组成 混合溶质[ 7-8] . 通常用于高 压工作电解 液的无机 酸 (盐)为硼酸和五硼酸铵 , 可有效提高工作电解液的 闪火电压 , 但与乙二醇反应生成的水分较多 , 这对电 解液的综合性能非常不利. 选用硼酐可有效避免电 解液中水分增加 , 同时 也可获得高的 闪火电压. 然 而 , 单纯使用硼酐做溶质 , 工作电解液的氧化效率低 且高温稳定性较差. 大分子量的带支链的长碳链羧 酸铵盐耐电压高 、氧化效率好且高温稳定 , 和硼酐按 照一定比例添加到工作电解液中 , 可获得高的闪火
图 1 压力阀动作时芯子的状况
为了解决这一问题 , 本研究设计在芯子与电容 器底部之间增加一个树脂材料的圆形支承片 , 树脂 材料具备一定的硬度和厚度 , 且为难燃材料 , 支承片
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电 子 器 件
第 30 卷
上均匀分布小孔(见图 2 所示), 当电容器内部压力 过大引发压力阀动作时 , 内部气体可通过支承片上 的小孔由压力阀开口顺利排出 , 而具备一定的硬度 和厚度的圆形支承片可有效阻止芯子在气压冲击下 变形 , 且圆形支承片自身为难燃材料 , 很大程度上杜 绝了芯子因挤压变形发生短路甚至燃烧的问题(见 图 1(b)所示).
针对大容量超高压铝电解电容器具备的特点 , 本文从以下方面进行研究 :① 大容量超高压铝电解 电容器的额定工作电压超高 , 额定纹波电流大 , 其使 用的工作电 解液必 须具备 极高的 闪火电 压(大 于 600 V)和良好的氧化效率 ;② 虽然大容量铝电解电 容器都设计了压力阀 , 当电容器内部压力增大到一 定值时压力阀作用 , 可避免电容器发生破裂. 但电容 器外形尺寸超大 , 芯子体积也很大 , 压力阀开启时芯 子在气体压力冲击下往往会发 生挤压变形产 生短 路 , 并发生燃烧事故. 因此需考虑采用工艺优化来防 止芯子变形燃烧 ;③ 采用一定措施 , 减少因引箔条 焊接点造成的阳极氧化膜损伤 , 减少老化过程中电 容器击穿的发生.
大容量超高压铝电解电容器的研究
廖振华 , 徐永进 , 陈建军 , 蒋晓华 , 赵方辉
(深圳清华大学研究院 , 广东 深圳 518057)
摘 要 :针对大型电子设备用大 容量超高压铝电解电容器的特点 , 分析了此类电容 器的设计 原理 , 通 过开发超 高压工作电 解
液 , 进行防芯子变形设计 , 增加带孔圆形支承片 , 并采用覆盖铝片 的设计来减少焊接 点氧化膜 损伤 , 研 制出大容 量超高压铝 电
电压 、良好的氧化效率和较低电阻率. 此外 , 在电解
液中加入一些高分子聚合物 , 可使工作电解液呈现
近似凝胶状态 , 降低电解液饱和蒸汽压 , 进一步提供 工作电解液的闪火电压[ 6] . 添加剂方面 , 可选用磷酸
及其盐类为抗水合剂 , 间苯二酚 、对硝基苯甲酸等为
消氢剂 , 添加少量液氨调节电解液 pH 值. 通过系列优化试验 , 本研究开发了性能优良的
2 研制
2. 1 工作电解液的研制 工作电解液是铝电解电容器的实际阴极 , 是研
制大容量超高压铝电解电容器的关键. 针对产品具 有耐超高压 、耐大纹波电流的特点 , 所使用的工作电 解液必须具有良好的氧化效率 、极高的闪火电压(大 于 600 V)和较低的电阻率.
溶剂是工作电解液的基础 , 超高压工作电解液 的溶剂采用以乙二醇为主溶剂的混合溶剂体系 , 加 入二甘醇降低溶剂体系的蒸汽压 , 增强总体溶剂化 效应 , 且有助于提高工作电解液的闪火电压[ 3] .
解电容器(550 V , 8200 μF , Υ100 mm ×220 mm) , 可承受高纹波电流(120 Hz , 20. 5 A)且寿命长 , 耐久性达到 85℃, 5 000 h, 有
较好的应用前景.
关键词 :铝电解电容器 ;大容量 ;超高压 ;圆形支承片 ;铝片
中图分类号 :TM535. 2
图 3 在引箔条表面覆盖铝条的设计 1. element 2. a node foil 3. cathode foil 4. separa tor 5. w eld 6. a luminum foil chip 7. cathode lead tab 8. anode lead tab
化成处理 , 其宽度一般为引箔条宽度的 3 倍左右. 在 阳极箔表面焊接引箔条的位置 , 采用加缔方式使铝 条熔接在引箔条的焊接点表面 , 然后再经机器卷绕 制成电容器芯子. 这种工艺设计使得引箔条焊接点 处损伤的氧化膜部分被覆盖的小块铝条完全遮蔽 , 而铝条经过化学形成处理 , 表面有完整的氧化膜 , 因 此浸有工作电解液的电解纸不会和焊接点处损伤的 氧化膜直接接触 , 而是和覆盖铝条表面完整的氧化
1 大容量超高压铝电解电容器的主要 特点
大容量超高压铝电解电容器具备以下特点[ 2] : ① 电解电容器的耐电压非常高 , 额定工作电压通常 超过 550 V , 瞬间可承受的极限电压更高 , 通常超过 60Fra Baidu bibliotek V ;②要求能承受特别大的纹波电流. 大容量超 高压铝电解电容器一般用于各种大型电子设备 , 其 额定纹波电流往往要求超过 20 A ;③ 大容量超高 压铝电解电容器的外形尺寸超大 , 如 nichico n 公司 最大产品外形尺寸已达 Υ100 m m ×250 mm , 如此
文献标识码 :A 文章编号 :1005-9490(2007)02-0370-03
大容量超高压铝电解电容器具有容量特别大 、 单体额定工作电压特别高 、外形尺寸超大且寿命长 等特点 , 主要用于各种大型电子设备中 , 一般起储能 及滤波等作用. 近几年来 , 国外的一些企业已能生产 高质量的大容量超高压铝电解电容器 , 如日本 nichicon 公司的 NX 系列 , 可提供 630 V , 5 600 μF , Υ100 m m ×250 mm 产品 , 而此类大容量超 高压铝 电解电容器仍是国内电容器厂商的技术难关. 本文 针对大容量超高压铝电解电容器的特点 , 对此类电 容器的工作电解液及制备工艺进行了研究改进.
L I AO Z hen-hua , XU Y ong-j in , CH EN J ian-j un , J I A NG X iao-hua , Z H AO Fang-hui
(Research Inst it ut e o f Tsi ngh ua Uni versi t y In Shenz hen , S henz hen Guang dong 518057 , China )
Abstract :Accordi ng to t he charact erist ics o f hig h capacit ance and ex t ra-hig h v olt ag e aluminum elect roly tic capaci to rs fo r large electro nic equipment , the desig n principle o f such alumi num elect roly tic capacit ors w as analyzed. A new capacit or o f this kind w as obtained by developing high vo ltage w o rking elect roly te and pro viding a met hod f o r avoiding t ransf orm ation of element w it h a disc shaped element suppor ter added and decreasing weld scat he w it h t he aluminum f oil chip superi mpo sed. Such capacito r(550V , 8200μF , Υ100mm ×220mm) had hig h ripple current capabilit y(120H z , 20. 5A) and excellent hig h-t emperat ure charact eri sti c fo r 5000h under lo ad , at 85 ℃. T he lat ter i s promi sing . Key words :aluminum electro ly ti c capacito rs ;high capacit ance ;ex tra-hig h vo lt ag e ;disc shaped element suppor ter ;aluminum f oil chi p EEACC :2 130
图 2 圆形支承片的外形构造
2. 3 减少焊接点氧化膜损伤的设计 大容量超高压铝电解电容器最大外形尺寸已达
Υ100 mm ×250 mm , 相应阳极箔的几何面积可达数 平米 , 在其上焊接引箔条时 , 由于引箔条数量多 , 焊 接点很多 , 阳极氧化膜的损伤面较大 , 这种情况下大 容量超高压铝电解电容器老化时会产生非常大的热 量及很多气体 , 进行老化工艺时极易导致电容器鼓 底甚至击穿. 这种状况可以通过调整老化工艺来改 善 , 但效果还不够理想. 本研究从减少阳极氧化膜的 损伤面着手设计 , 在引箔条与阳极箔的焊接点表面 覆盖小块铝条(见图 3 所示), 铝条经表面加工和