电解电容特性及应用要点

在电力电子电路中，不管是逆变器还是整流器输入级都需要大容量的支撑电容提供脉动电流。对于大功率电路而言，支撑电容的容量较大，电解电容是比较常用的大容量功率电容。

1、电解电容的基本原理和结构

我们最初学习电容器的原理的对象基本都是平板电容器，在两个平板之间放入电介质，这就构成了最简单一个电容器。并且有 平板式电容计算公式：C=ε *ε0* S/d; 式中：电容C，单位F；ε 相对介电常数；ε0真空介电常数8.86×10（-12方）单位F/m；面积S，单位平方米；极板间距d，单位米。根据公式，可以看出：如果需要增加电容器的容量，在电介质不变的情况下，需要增加平板的面积，缩小平板之间的间距。电解电容在结构上就是将平板电容器卷起来以获得足够大的容量，市面上铝电解电容产品的容量一般在0.47uF~10000uF。

1.1 基本结构

平板电容器模型电介质一般都采用固态电介质，依靠电荷的极化来储存能量，电解电容内含有液态电解液。离子是导电的，因此需要一个绝缘的隔膜进行“绝缘处理”。这就是阳极的化成处理，可以简单认为将Al的表面进行氧化处理，获得不导电的Al2O3。这个阳极氧化层的厚度决定了电容的耐压并且充当电容器的电介质。而阴极不做处理，只自然氧化形成很薄的Al2O3，可以认为和纯铝没有区别。阴极氧化层的耐压非常低，常温下大约在1~1.5V，因此铝电解电容禁止反接电压。

如图1-1、1-2所示，阳极和阴极中间夹着浸满电解液的隔离纸。卷成圆柱状后通过铝壳封装，并在铝壳上方压制出防爆阀，用于失效时反应气体的排放。

图1-1 电解电容叠层

图1-2 电解电容外壳封装

1.2 电容的充放电与自修复反应

如图1-3，当阳极加正电压，阴极加负电压，阳极中金属Al的电子被拉到阳极，靠近氧化层的Al失去电子形成Al3+离子。中间的氧化层Al2O3不导电，因此O2-离子无法进入阳极和Al3+离子发生氧化反应。正离子沿着电场的方面，负离子逆着电场的方面移动。正离子集中在阳极，负离子集中在阴极，形成电荷能的存储。当电场消失，正负离子恢复到原始位置，电场能量被释放。

铝电解电容有一个有趣的自修复功能：如果电容的氧化层老化，绝缘耐压变低，电解电容能够通过自身的电解液反应重新将氧化层进行修复。如图1-4所示，在电场的作用下，缺失的氧化层通过阳极的Al3+离子和O2-离子的氧化反应生成新的Al2O3氧化层。需要注意的是，这种修复反应不能太剧烈，如果电压过高，击穿氧化层，产生大量的氧化还原反应，会释放出大量的H2气体，从而引起电容爆炸。

同样的，阴极也存在氧化层（自然形成），这个氧化层非常脆弱，很小的反向电压就能击穿。击穿后的“阴极”（加上了正电压），发生剧烈的氧化反应，“阳极”氧化层附近发生还原反应，产生H2，引发爆炸。

图 1-3 电解电容中电荷的移动

图 1-4 自修复反应

2.1 电解电容的耐压

电解电容的耐压受到氧化层厚度的影响，如果电压过高会击穿氧化层：电解液将和阳极铝发生氧化反应，阴极则会发生还原反应，最终引起电容“爆浆”。一般选择电容的耐压需要大于最高母线电压的1.25倍。

2.2 电解电容的容量

电解电容的容量影响电容的提供脉动电流的能力，在功率电路中需要电容容量满足功率输出。由于电解电容较大的ESR，常常需要多个电容进行并联使用，使用的容量会远大于计算需要的容量。

2.3 电解电容的温度和寿命计算

电容的温度和寿命有最直接的关系，因为铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。温度每升高10℃，电解电容的寿命会减半。

2.4 电解电容的耐纹波电流、电压以及ESR

电解电容的耐纹波电流是根据电容的自发热和散热能力进行界定的，ESR越大的电容，相同纹波电流下损耗越大。损耗一方面影响电路的转化效率，另外一方面也加大了电容的损耗，引起电容内部温度的升高。

2.5 封装和尺寸

电解电容的尺寸较大，在大功率能量转换系统中，需要综合考虑电容的尺寸和散热，以及和整机结构的关系。

3、电路应用设计要点

3.1 损耗角和ESR计算

电解电容在充放电的过程中，由于电荷在运动过程中的摩擦会存在一定的能量损失，这个被电容内部消耗的能量通常采用损耗角进行标注。如图3-1所示，理想条件下，电容电流应该超前电压90°，损耗角的存在导致电流的超前角（π/2-δ）减小了。如果将电容的阻抗分量分解为电阻分量R和容抗分量Xc，那么他们之间存在一个夹角δ，这角度δ和阻抗的角度是一致的（忽略等效电感ESL）。如图3-2，可以计算出tanδ=R/Xc=2πfCR（式3-1）。

如图3-5，电解电容除了电容和等效电阻ESR，还有等效电感ESR，主要由其金属箔和引线组成。随着频率的升高，电容的特性就“短路”了，感抗分量开始上升，阻抗特性曲线如图3-6。在进行功率电容计算中，一般可以忽略ESL，因为拐点频率一般都很高（5~10MHz），功率谱在该频率点衰减已经十分小了。但是，在电容应用的滤波电路中，这个寄生参数的ESL就显得很重要，尤其是在高频电子线路应用中.

纹波电流和ESR的关系非常密切，同时纹波电流能够在ESR上引起电容的自发热，如果发热严重还会影响到电容的使用寿命。频率升高，ESR下降，纹波电流就越容易流过，所以规格书一般会给出rated ripple 和 频率修正系数，如图3-7 所示：

3.4 寿命评估

影响到电解电容的寿命最主要的因素是其电解液的寿命，随着时间增加，电解液会蒸发，并且温度越高蒸发的速度越快。随着电解液的蒸发，电容的容量减小，损耗角增加。图3-8 所示，铝电解电容的劣化故障（电解液蒸发）和故障率之间的关系。图3-9 所示，电解液对电容特性的影响。

温度每升高10℃，电解电容的寿命会减半，图3-10 公式所示：Tmax，L0是规格书给出的预估寿命和温度条件，Ta是电容实际的工作温度。一般规格书中，会给出105℃条件下的寿命（2000hours），根据这个基准结合电容环境温度和电容自热温度进行寿命评估。

下面列举了一些电解电容应用过程中常用的降额参数，可供大家在进行电路设计的时候进行参考。

额定电压：选择电压大于最大母线电压的1.25倍

电容容量：系统额定工况下，母线电压波动不超过±5%，进行容量计算

纹波电流：系统额定工况下，纹波电流不超过额定值的85%

自热温度：一般要求不超过5℃

电容寿命：根据系统寿命要求进行评估