片式钽电容器的浪涌失效及防止

钽电容器的浪涌失效及防止

片式钽电容器的浪涌失效占到总失效数的90%以上，这与其苛刻的使用条件有直接关系，片式钽电容器基本上都是使用在电源模块上作滤波用，在开关时不可避免要产生持续时间极短，冲击很强烈的电压和电流浪涌，如图一所示。

上图是在电容器生产过程中进行浪涌测试时的合格标准说明图示。图中黑线是浪涌电流曲线，横轴是时间线，总的时间不超过20微秒。从曲线可以看出，浪涌产生的时间小于1微秒，应该在纳秒级，所以在如此短时间内产生的能量密度就非常高。此时介质层五氧化二钽上承受的场强冲击之高可见一斑。浪涌电流I P值的大小可以通过如下公式根据某规格产品的标准ESR值进行计算得出；

钽电容器能够储能和滤波是因为其无定形的介质层具有阻止直流电通过，容许交流电通过的基本特性。但是，它的这种特性是在通电后，介质层两端的不同电荷彻底完成极化后才出现。在极化完成之前电容器的介质层不具有介电性能。此特点是电解电容器与二极管最根本的区别。只有在电容器的极化完成后它才具有能量储存的性能。

也可以这样理解；在电容器完成极化前，电容器只是一个网络组织非常复杂的具有电阻的导体。而这一点，现在还有很多人，包括电容器生产者和使用者都了解不够，甚至认识错误。

在开关电源电路，接触的瞬间，浪涌产生的时间极短，而且电流非常大。在浪涌产生时，电容器的介质层两端的极化还没有完成，因此，当浪涌电流通过电容器时，电容器相当于一个导体或者网络电阻。电容器的阻直流通交流特性必须发生在介质层两端不同电荷彻底完成极化分布后才开始呈现出来。而极化过程又受到电容量大小的影响；容量越低的电容器极化完成的越快，容量越大的产品极化完成的越慢。既dv/dt 值的变化与产品的容量有直接关系。对于容量大的产品，需要更长的极化完成时间。在极化完成前，作为介电层的五氧化二钽无定形晶体并不具有二极管PN结那样的固有单向导通能力，大的电流可以瞬间通过。随极化完成，通过的电流才逐渐被阻止，产生电压降，电容器特性呈现。由于电流的产生要比电压的产生先一个相位角，而且浪涌电流的形成几乎是在瞬间产生，而且持续时间远小于电容器的极化时间，因此，当浪涌电流通过电容器时，此时的电容器还未呈现出电容特征，它此时实际上相当于一个由无数个具有内阻并联而成的网络状电阻导体。根据焦耳-楞次定律，具有电阻的导体在通过电流时会产生热量，热量P MAX的大小与电流的平方成正比，与电阻的大小成正比，见下式；

P MAX=电流平方×R

从上式可以看出，当R一定时，如果电流值较大，电容器上瞬间产生的热量将指数倍地增加。由于同时介质层上产生的电应力也可以导致微观上五氧化二钽晶体的微量位移，因此，这一突然产生的能量集中而产生的冲击就非常猛烈，完全有可能导致介质层因为高场强和高热量而破坏。

当这个持续时间极短的大电流通过电容器时，我们看看电容器内部都发生了什么现象？

电容器的阳极基体由无数个纯钽粉粒子互相连接组成。一样可以在其表面形成五氧化二钽的纯钽丝是其正极引出线。在介质层形成后，它实际上已经成为一个能够储能的电容器，在使用化学分解在介质层上形成电子点导型的二氧化锰后，它就成为固体电容器。当极化完成前，由纯金属钽颗粒并联组成的的电容器从电学特性上讲相当于一个由无数个小电容并联而成的网络电阻，如下图示；

上图可演化成入下的电路类型；

在浪涌电流通过时，由于极化还未完成，因此，电容器此时只是相当于由无数个小电阻并联成的大电阻，其总电阻ESR=1/R1+R2+R3+R4+Rn ，其总容量=C1+C2+C3+C4+Cn. 钽电容器等效串联电阻R ESR 的构成

R ESR =R MnO2+R ta +R Ta2O5 ≈ R MnO2

R MnO2 R MnO2 R MnO2 R MnO2

R Ta R Ta R Ta R Ta C1 C2 C3 Cn

R MnO2

R MnO2 R MnO2 R MnO2 C1 C2 C3 Cn

简化为

每一个粒子及其颗粒间的纯钽金属连接通道就相当于一个R1或R2，直至Rn。如果R1=R2=R3=R4=Rn，根据并联电路的电流变化关系，总电流会被均匀分流，流过每一个粒子及粒子间通道的电流都一样大，而实际上，上述描述只是一个简单的数学模型，只是一个理想的电连接结构。由于电容器使用的钽粉是由不同粒子半径组成的钽粉颗粒构成，因此，必然存在通道直径和孔隙不一样大的部位。根据电流通过导体的趋附效应；导体上流过的电流大小与孔径的平方成正比，与导体中心半径的平方成正比，因此，在通道直径较大的地方，也就是通道电阻较大的地方，由于电阻随通道直径的截面积减小而增加，此处产生的热量将非常高。此处的介质层上因此产生的场强和热量将远高于其它部位，极短时间内的高场强和高温，瞬间就可以使此处的介质层击穿并在极短时间内产生大量热量，最后引发连锁反应，产品发热而爆炸。

浪涌失效的产品，不一定就是该产品的漏电流大而失效，但一定是该只产品的电连接结构存在电阻过高的部位和场强集中的部位。因此，浪涌失效很难预防，而且存在随机性。

避免浪涌失效的方法如下；

首先，产品的阳极设计必须合理，产品任何部位不能存在突出的部分，同时，产品内部不能存在过大的孔隙。钽粉粒子间的连接截面积必须足够，不能存在粒子间通道截面积过小的状态。这一点对于中高压产品尤其重要。

二，所有的产品在包装前都必须经过浪涌测试；测试电流可以通过该产品的额定电压和ESR值标准进行计算。测试电压一般为额定电压的1/2。对于体积较小的P，A，B壳，主要把测试标准卡严就可以。不需要浪涌测试。浪涌测试只是在C，D，E，F 壳上才可以进行。