铝电解电容的失效分析

应用铝电解电容器必须考虑的问题

铝电解电容器的失效

一、铝电解电容器失效的最主要原因

电解液干涸！

电解液干涸的原因

电解液自然挥发

电解液的消耗

电解液自然挥发

电解液的挥发速度随温度的升高而变快；

电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关，无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性。

电解液的消耗

漏电流所引起的电化学效应消耗电解液；

铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少；

漏电流随温度升高而增加：250C时漏电流仅仅是850C时漏电流的不到十分之一；

漏电流随施加电压升高而增加：耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。

电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的因素（温度1）

根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电解电容器的最高工作温度可分为：

一般用途：850C；

一般高温用途：1050C：

特殊高温用途：1250C：

汽车发动机舱：140∽1500C；

影响铝电解电容器寿命的因素

（额定寿命小时数）

按寿命小时数铝电解电容器可以分为：

一般用途（常温，3年以内）：1000小时；

一般用途（常温，希望比较长的时间）：2000小时以上；

工业级：更长的寿命小时数。

影响铝电解电容器寿命的因素

（温度2）

温度每升高100C，寿命小时数减半；

影响铝电解电容器寿命的因素

（电解液）

电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命；

影响铝电解电容器寿命的因素

（应用条件）

高温缩短铝电解电容器寿命；

高纹波电流缩短铝电解电容器寿命；

工作电压过高缩短铝电解电容器寿命；

二、影响铝电解电容器寿命的参数与应用条件

工作电压与漏电流的关系

工作电压与漏电流的关系

CDE生产的450V/4700Uf/850C铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系：

温度与漏电流的关系

CDE生产的450V/4700Uf/850C铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系：

温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响以EPCOS的B43697电子镇流器用铝电解电容器为例

在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同。

铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系

三、铝电解电容器寿命推算方法：

简单寿命推算

根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命

根据温度、纹波电流与寿命的关系推算寿命

简单寿命推算方法1

不含有纹波电流工作状态的铝电解电容器的推算：基本依据为“100C法则”，即环境温度每上升100C寿命减半，反之亦然，这个“100C法则”是在零纹波电流条件下适用。在铝电解电容器流过比较大的纹波电流时不一定适用。

简单寿命推算方法2

国产某些品牌铝电解电容器推荐的方法

日本品牌铝电解电容器推荐的方法

基本思路

在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由以下公式计算。

其中，L和L0分别为：实际环境温度T时的寿命和额定最高温度T0时的寿命。可以看到，铝电解电容器的使用寿命随温度下降没100C，寿命增加一倍，即所谓100C法则。因此，无论是使用还是储存，铝电解电容器均应在尽量低的环境温度下为好。例如，850C/1000小时的铝电解电容器在450C使用寿命为16000小时，折合为1年零10个月；290C时为48000小时，折合为5年零6个月；而1000小时折合为42天。可以看到，降低温度对延长铝电解电容器寿命的重要性。

图解计算

存在的问题

上述三种推算方法仅适用于存储状态和无纹波电流（很小纹波电流）的工作状态（如隔直流电容、小信号电路的旁路电容）。对于明显含有纹波电流的工作条件时，上述方法不一定适用，这时应将纹波电流的效应考虑在应用条件中。

考虑纹波电流时的寿命推算方法

铝电解电容器的发热由于内部等效串连电阻（ESR）引起，其产生的损耗为：

5.16

其中I和R（ESR）分别为：纹波电流（A）和等效串联电阻（Ω）。由于发热引起的温升为：

5.17

其中ΔT、I、A、R（ESR）、H分别为：电容器中心的温升（0C）、纹波电流（A）、电容器的表面积（cm2）、ESR（Ω）、散热系数｛（1.5∽2.0）×10-3W/（cm2×0C）｝。

公式（5.17）表示了电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比，与电容器的表面积成反比，因此，纹波电流的大小决定着产生热量的大小，且影响其使用寿命，电容器的类型以及使用条件影响着ΔT值的大小，一般情况下，ΔT<50C。

铝电解电容的温度测试

利用测试结果，并考虑到环境温度和纹波电流时的寿命公式：

5.18

其中，L、L0、K、T0、T、ΔT分别为：实际使用寿命、直流工作电压下的使用寿命、纹波电流系数（实际纹波电流有效值与额定纹波电流有效值之比，K=2时，纹波电流在允许的范围内，K=4时为超过纹波电流范围）、最高使用温度、工作温度、中心温升。

电容器工作在额定的纹波电流和上限温度时，电容器可通过转化（5.18）式得到，如下：

5.19

其中，L0、ΔT0分别为：工作在额定纹波电流和最高工作温度下的寿命（小时）、最高工作温度下的电容器中心容许温升。

实际上式（5.18）和式（5.19）所表述的是在测试到电容器壳的温度后所得，而并不知道纹波电流的大小，如果知道纹波电流的大小，可以将式（5.19）改为：

5.20

其中，I0、I分别为：最高工作温度下的额定纹波电流（A）：实际的纹波电流（A）。

问题

按照式（5.17）存在的问题就是散热系数的确定，生产厂商不给出用户就无法精确计算，如果粗略估算将会产生至少30%的偏差。由于直接测量电容器的内部温升存在着困难，可以利用下表列出表明温度和芯片温度的换算关系。

铝电解电容器芯包与外壳温度的关系

问题

以上的寿命的推算公式，原则上适用于周围环境温度为+400C到最高工作温度范围内，但由于封口材料的老化等因素，实际的推算寿命时间一般最大为15年。

式5.17到式5.20的表述与计算均非常麻烦，而且由于测试以及个体电容器的导热差异而使推算结果很不准确，仅能作为近似估计值。

问题

如果想得到比较准确的推算结果，最好的方法是利用电容器生产厂商所给的温度寿命曲线。比较负责的国外铝电解电容器厂商均给出铝电解电容器寿命与环境温度及纹波电流的关系曲线。

根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命

EPCOS的B43550规格的铝电解电容器与温度、纹波电流的关系