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直流开关电源电路中铝电解电容的寿命为什么那么短?

江苏快3专家计划一、直流开关电源电路中铝电解电容的定义

直流开关电源电路中铝电解电容器是一种有正极、负极的电容器,直流开关电源电路中铝电解电容器的基本结构是由一层阳极铝箔,一层阴极铝箔和中间夹有一层浸有电解液的衬垫纸以及天然氧化膜经重叠卷绕而成的,电极浸过电解液之后,再用铝壳和胶盖封闭起来的电容器。

直流开关电源电路中铝电解电容的寿命为什么那么短?

二、直流开关电源电路中铝电解电容的组成

组成直流开关电源电路中铝电解电容的材料有:

       电解纸、电解液、阳极铝箔、阴极铝箔、胶盖、胶管、导针和铝壳。直流开关电源电路中铝电解电容器的芯子是由阳极铝箔、电解纸、阴极铝箔、电解纸由里及外的顺序依次叠放,卷绕成圆柱状而形成的。


三、失效模式

基本概念:

失效:指的是零部件失去原有设计所规定的功能

失效机理:引起失效的物理、化学或其他的原因和过程。比如过载,腐蚀等nn失效模式:失效的形式,比如开路,短路,漏电等

直流开关电源电路中铝电解电容的寿命为什么那么短?

四、寿命计算

从失效机理看,使用条件对于直流开关电源电路中铝电解电容器的寿命有很大的影响。使用条件可分为环境条件和电条件。

环境条件有温度、湿度、气压、震动等,其中温度对于寿命的影响是最大的。电条件有电压、纹波电流、充放电条件等。

直流开关电源电路中铝电解电容的寿命为什么那么短?

1、周围温度和寿命

周围温度对寿命的影响体现在电容量的减少、损耗角正切值的增大,这些现象起因是电解液从封口部分向外部渐渐扩散。电性能的时间变化和周围温度之间的关系可得出下列公式。

Lx=Lo*BTo-Tx/10

江苏快3专家计划Lo:在最高使用温度下,额定施加电压和额定纹波电流

重叠时的保证寿命(hours)

Lx:实际使用时的预计寿命(hours)

To:产品的最高使用温度(℃)

Tx:实际使用时的周围温度 (℃)

B: 温度加速系数


根据上述公式,电解电容应用时,须考虑环境散热方式、散热强度、电容与热源的距离、电容的安装方式。


2.施加电压和寿命

用于绝大多数的机器中的贴片式(SMD)、引线式(radial)、基板自立式(snap-in)之电容器,使用条件在最高使用温度和额定电压值以下的情况时,施加的电压所产生的影响与周围温度的加速和纹波电流的加速所产生的影响相比可以忽略不计。

另,用于高功率电子仪器的螺丝端子式(screw)电容器中350VDC以上的高压品占主流,由于作为直流开关电源电路中铝电解电容器导电体的氧化膜(Al2O3)的性质,额定电压以下的施加电压值的大小将影响其寿命。


3、纹波电流影响寿命

纹波电流计算是得到电容功率损耗的一个重要参数,在设计电路选择电容时候,我们必须首先确定下来电流的纹波大小,这和设计规格和具体拓扑结构相关。直流开关电源电路中铝电解电容常被用在整流模块后以平稳电压,我们在选择好具体拓扑结构后,根据规格要求得到最小的电容值。在纹波电流的选择时,需要降额设计。


控制某一纹波电压所需的电容容值为:


由于直流开关电源电路中铝电解电容器和其他的电容器相比损耗较大,因而纹波电流会导致内部发热。纹波电流产生的热又会使温度上升,所以对于产品寿命有很大影响。这样一来,需事先根据不同产品设定最大允许纹波电流值。外加纹波电流的发热度可由下面的计算式得出。

W=Ir2* ESR +V*IL

W:内部的消耗电力

Ir:纹波电流

ESR:内部电阻(等效串联电阻)

V:外加电压

IL:漏电流

江苏快3专家计划在最高使用温度下,漏电流增加到20℃时的5~10倍,但仍然Ir≥IL,则W= Ir2·ESR。  要求出内部发热和放热达到平衡的条件,则

Ir2·R=β*A*ΔT

β:放热常数

A:外壳表面积(m2)

A=π/4·D(D+4L)

D:外壳的直径(m)

L:外壳的长度(m)

ΔT:因纹波电流所上升的温度(℃)

那么,内部发热ΔT=

Ir2·ESR

β*A

另外,纹波电流在120Hz的情况下发热可由(7)式得出:

△T=

Ir2·ESR

=

Ir2·tanδ


βA

βAωC

 

(在这里ESR =

tanδ

ωC

   tanδ:120Hz时的损耗

ω  : 2πf(f等于120Hz)

C   :120Hz时的电容(F)

ESR值是根据温度的变化而变化,因此,要求出正确的△T必须实际测得热电偶的数值。

顾及由纹波电流产生的内部发热和周围温度的影响,NIPPON-CHEMICON寿命推定式是:

a)     施加DC标称电压时的保证寿命为

Lx=Lo×2

To-Tx

×2

-△T


10

5

·······························(贴片型)

b)   允许纹波电流重叠时的保证寿命为  


Lx=Lr×2

To-Tx

×2

△T o-△T

10

5

·····················(引线型、基板自立型)


C)


Lx=Lr×2

To-Tx

×2

-2+(25-△T)/b

10

 ····················(螺丝端子型)

Lr:在最高使用温度下标称纹波电流重叠时的保证寿命(hours)

Lx:实际使用时的推测寿命(hours)

To:产品的最高使用温度(℃)

Tx:实际使用时的周围温度(℃)

T:纹波电流导致的芯子中心发热度(℃)

To:施加允许纹波电流时的芯子中心发热度(℃)  

(最高使用温度105℃系列的△T o=5℃)

 

※关于TX(实际使用时的周围温度)的注意事项

江苏快3专家计划 在温度加速试验中,确认10℃ 2倍准则的是40℃~最高使用温度的范围内,

从市场退回的产品测定结果中可以看出,20~25℃范围内可以用10℃2倍准则进行研究,但是应用中的环境条件大多不明确,因此40℃以下的话请当作40℃来进行寿命预测。

※关于ΔT(纹波电流导致芯子中心发热)的注意事项

周围温度 + 纹波电流导致芯子中心发热的界限值

各个温度下芯子中心发热的界限值的例子

周围温度(℃)

40

55

65

85

105

ΔT(℃)

30

30

25

15

5

即:最高使用温度为105℃系列处于最高使用温度105℃时纹波电流产生的热达到5℃的最高界限(合计110℃),周围温度为65℃时纹波电流产生的热最高为25℃(合计90℃),这两种情况的寿命是相同的。

要求得纹波电流自身发热的值,需用热电偶测出电容器芯子中心的温度和电容器周围的温度,两者之间的差即是纹波电流自身发热的值,这样求出的数值是最正确的。但是,由于在实际的机器中要测出电容器内部的温度是非常困难的,因此先测定电容器外壳侧面的温度,在运用下记温度差系数来推定芯子中心部分的温度。

不同外壳直径的温度差系数

电容器外径ΦD(mm)

5

6.3

8

10

12.5

16

18

22

25

温度差系数

1.1

1.1

1。1

1。15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

电容器外径ΦD(mm)

30

35

40

50

63。5

76

89

100


温度差系数

1.5

1.65

1.75

1.9

2.2

2。5

2.8

3.1



  需要作出更准确的寿命推测的话,请使用实际测量值。另外,也可以用公式(12)算出纹波电流产生的自身发热值ΔT。最高使用温度、多数系列的ΔT0=5℃。至于其他系列请参照供应商资料。

  ΔT=(IX/I0)2×ΔT0……………(12)

江苏快3专家计划  I0:最高使用温度下的被频率修正的额定纹波电流(Arms)

IX:实际使用时的纹波电流(Arms)

 

  ※开关电源中直流开关电源电路中铝电解电容器商用电源频率成分和switching频率成分重叠时,其内部消耗电力如下式所示。

W=I(f1)2×ESR(f1)+ I(f2)2×ESR(f2)+…+ I(fn)2×ESR(fn)

W:消耗的电能

I(f1)、I(f2)…I(fn):各式各样不同频率下的纹波电流值(Arms)

ESR(f1)、ESR(f2)… ESR(fn):各式各样不同频率下的等效串联电阻值(Ω)

设各频率下的频率修系数为F(fn),f0是纹波电流基准时的频率,要让ESR(fn)=ESR(f0)/ F(fn)2的关系成立;用下列公式换算各频率成分的纹波电流值为基准的频率的纹波电流实效值(f0)

I(f0)=√【{{I(f1)/F(f1)}2+{I(f2)/F(f2)}2 +…{I(fn)/F(fn)}2}】

江苏快3专家计划I(f0):换算基准频率纹波电流值(Arms)

F(f1)、F(f2)…… F(fn):各种频率f1 f2…… fn下的频率补正系数

通常,额定纹波电流值被120HZ的正弦波实效值规格化。内部电阻(ESR)为保持频率特性,允许纹波电流值会根据频率的改变而改变。

 

(举例)频率修正系数的例子(生产商CHEMICON的radial高频低阻KZE系列)

标称电容量(μF)

频率(HZ)

120

1K

10K

50-100K

180μF以下

频率修正系数

0.40

0.75

0。90

1.00

220~560μF

0。50

0。85

0.94

1.00

680~1800μF

0。60

0.87

0。95

1.00

2200~3900μF

0。75

0。90

0.95

1。00

4700μF以上

0.85

0.95

0.98

1。00

 

 

频率修正系数的例子(生产商CHEMICON的snap-in SMQ系列)

标称电容量(μF)

频率(HZ)

50

120

300

1K

10K

50-100K

4.7μF以下

频率修正系数

0。65

1.00

1。35

1。75

2.30

2.50

10~68μF

0.75

1。00

1.25

1.50

1。75

1。80

100~1000μF

0.80

1。00

1.15

1.30

1.40

1.50

200μF以上

0.85

1.00

1。03

1。05

1.08

1.08


4. 关于影响寿命的其他因素

直流开关电源电路中铝电解电容器的电解液会通过封口部分向外扩散,由此产生的渐耗故障成为决定寿命长短的重要原因。使该现象加速的原因除了前面提到的周围温度和纹波电流这两个原因之外,还有下面几个原因。

4.1过电压

若连续施加超过额定电压的过电压,产品的漏电流急速增大。因漏电流导致发热及气体的产生,从而引发内压也随之上上升。这一反应会根据施加的电压、供给电源的电流容量、环境温度的上升而加速,有时会导致压力阀松开甚至被损坏的情况。即使电容器外观没发生异常,其寿命也会变短。

将电容器串联使用的情况下,因漏电流偏离分压变得不平均,个体易施加上过电压。这样的话,必须采取选定估计不平衡的额定电压或者连接均压电阻等等措施。

建议均压电阻选择:R = VW /3I漏电流

目前由于节能要求,均压电阻阻值的选择越来越大,对电容器的容量、漏电流一致性要求越来越高。

 

4.2  反向电压

施加反向电压,电压加在无化成膜的阴极箔上,导电体氧化膜被强制形成,则这样和过电压的情况一样地会引发发热和气体的产生,致使电容量急剧减少,损耗角增大。

阴极反应:4OH-  - 4e  = 2H2O + o2  + 热量

                3O2  + 4Al = 2Al2O3 

阳极反应:2H+  + 2e  =H2

反向电压、反向电流过大,伴随气体产生、阳极箔和压力阀被损坏。压力阀若来不及打开,会产生爆炸。

 

江苏快3专家计划4。3 充放电

把一般产品用于开关频繁的频闪闪光灯、铆接机的充放电电路和输出功率大的AV机器的电源电路中,因放电电流使阴极箔化成、电容量急剧减少。还有阴极箔化成时产生内部发热和气体的产生,会导致压力阀松动甚至被损坏。温度越高,放电电阻越低、施加电压越大,充放电频率越快的话,那么产品恶化的速度也就越快。

一般地,将直流开关电源电路中铝电解电容器放置于激烈的充放电电路中的话,因充电后放电的原因,阴极箔生成化成膜,电容量迅速减少。阴极侧和阳极侧短路,原本储存在阳极一侧的电荷瞬间移往阴极箔一侧,这时,两侧箔的电压为了相等,阴极箔一侧渐渐被化成。这与施加逆电压的状态相同。

1。  通常的充电状态

2.  断开电源V1,放电了的话,阳极箔一侧的电荷会移向阴极箔一侧,由于整体电荷量不变,即Q=C+·V2+C-·V2,则

         C+·V1=C+·V2+C-·V2

V2=

C+·V1


C++ C-

 

江苏快3专家计划16V10000μF的情况下,外部施加电压假设为13V,电容器尺寸若为Φ50×80L的话,阳极箔为5.3μF/cm2、阴极箔为100μF/cm2,那么

V2=5。3*13/(5。3+100)=0。65(V)

若制造Φ35×50L尺寸电容器的话,阳极箔必须使用高倍率箔,阳极箔为11.5μF/cm2、阴极箔为100μF/cm2的话,那么

V2=11。5×13 /(11。5+100)=1。34(V)

江苏快3专家计划因此,使用高倍率阳极箔的情况下,放电时会产生更高的电压于阴极箔,则加速阴极化成反应,导致发热、压力阀松动。 小型化了话,要采取使用高倍率阴极箔或者附有氧化膜的阴极箔等对策。

 

 4.4  脉冲电流

若频繁地反复操作,则情况与施加过纹波电流相同,芯子发热度超过允许值,在外部端子的连接部分及电容器内部的引出线和箔的连接部分会有异常发热,需引起注意。

 

4.5  用于交流电路

     如果直流开关电源电路中铝电解电容器用于交流电路的话,在电容器内部迅速产生气体的同时还伴有发热、内压上升,由此进一步导致压力阀动作、从封口部分漏出电解液,甚至最糟糕的话有时还会引发爆炸,可燃物飞散,有时还会导致短路。所以,请千万不要用于交流电路中。

 

五、直流开关电源电路中铝电解电容寿命其他估算方法

电容寿命估算的一般步骤,当然,如果已经设计好了产品,我们还有一种方法来估计电容寿命,即已经有产品,我们来检验电容寿命设计是否合理,我们可以通过测试电容中心点温度的方法,然后通过电容的寿命计算公式来检验。

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