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1、开关电源开关电源 105105高纹波系列铝电解电容器高纹波系列铝电解电容器开关电源 105高纹波系列铝电解电容器张飞翔 王 津 朱绪飞 刘 霖摘要为适应开关电源滤波用铝电解电容器低阻抗、耐高温、耐高频脉动电流冲击的要求，从材料、工艺等入手解决耐高频纹波电流、高可靠性和长寿命问题，研制出 400 V 105小型化、耐高纹波电流的长寿命铝电解电容器系列，列出了耐久性试验数据。关键词开关电源 铝电解电容器 纹波电流 电解液分类号 TM535.2开关电源是当今各类电子设备的主要电源，广泛用于 PC 机、邮电通讯、程控交换机和各种视听电子设备。开关电源为电子设备小型轻便化作出了贡献。但是，开关电源产生的
2、噪声和高次谐波对市电(交流供电系统)造成严重污染。开关电源电路亟待变革，已成为近两年的焦点话题。随着开关电源技术的革新，对应用于开关电源领域的滤波铝电解电容器提出了更高的要求：耐高温、低阻抗、耐高频脉动电流的冲击以及小型化。铝电解电容器规范的修定和性能的提高已成为电子元件产业界的重要研究课题。国际电工委员会对抑制高次谐波电流畸变高度重视，制定出抑制高次谐波的规范(如 IEC552-2)。今后，严格控制高次谐波污染是全球电子设备设计者都必须重视的。尽快把握这一动向，对于促进电子信息产业的发展、开拓国际市场具有重要意义。目前抑制高次谐波电流畸变的电路多种多样，但共同点是开关电源采用有源滤波电路。一
3、旦采用有源滤波电路，则铝电解电容器将面临比以前更为严酷的使用环境：高频(20100kHz)脉动电流大幅度增加；变换器的主开关管发热，导致铝电解电容器周围温度升高；变换器一般采用升压电路，因此需要耐高压的铝电解电容器。这样，利用传统技术制造的铝电解电容器难以满足要求，因为电容器耐纹波电流能力与体积成正比，要耐大纹波电流的电容器尺寸必然增大，结果电源体积庞大，难以用于小型化的电子设备。为了解决这些难题，必须开发体积小、耐高温、耐大纹波电流的长寿命铝电解电容器。1 技术难点与解决对策1.1 耐高频纹波电流铝电解电容器中存在高频脉动电流时，必然产生温升。这是当高频电流流经电容器内部由于电阻发热所造成的
4、。实际电容器在高频下工作时，其等效电路可视为一个理想电容器和一个等效串联电阻 r 串联。表 1 中列出了电容器等效串联电阻 r，阻抗 Z，损耗角正切值 tg 与频率 f 的关系。在高频下工作的电容器由于自身发热和周围环境的温升，使其内部发热显著，引起电解液性能恶化，导致 r、tg 增大，发热进一步加剧。如此恶性循环下去的后果是：电解液干涸，电容量大幅度下降，r 和 tg 大大增加，耐纹波电流能力丧失，电容器失效。表 1 电容器的 r、tg、Z 与频率的关系fkHz0.11.03.010.015.7305075100150rm273142136135134135147165187249tg%2.
5、99.627.594.51464466201 4804 3802 980Z14.11.440.500.200.160.150.140.170.190.25注：数据系深圳万捷电容器有限公司生产的开关电源专用MC 系列(+105)产品，规格为 400V 100F 22 mm35 mm。要提高电容器的耐高频纹波电流的能力，其途径有两条：设法降低 r 值，达到降低电容器自身发热的目的。设法提高电容器的耐温，从原来+85提高到+105，甚至+125，保证电容器在内部发热的情况下不至于引起内部结构的恶化。在开关电源的主要频段(20100kHz)中，铝电解电容器的 r 主要由工作电解液和电解电容器纸的复合电
6、阻组成。因此要降低 r 就要从这两方面着手。工作电解液是铝电解电容器的实际阴极，其本身性能的好坏直接影响着电容器的使用温度范围、产品的可靠性、上限工作电压(受限于电解液的闪火电压 US)、电容器的 r 等等。工作电解液的电阻率 对 US 和 r 直接影响，其关系如下： US=algcm+b(a、b 为常量) (1)r=tgC=Kd2A (2)式中：K 为常量；d 为隔离纸的厚度；A 为阳极箔的表面积。由此可见，降低电阻率可以使 r 减少，但同时也使 US 下降，也就是说这是一对矛盾。如何既保证较低电阻率又具有较高的 US，这是电解液研究中首要的问题。在综合考虑各因素后，我们选择了低黏度，高沸点
7、的 丁内酯和乙二醇为溶剂，采用羧酸的季胺盐为溶质，这样既保证了电解液本身耐高温，又保证低黏度、低电阻率。该系统电解液基本组分与性能见表 2。这个体系较多元醇为溶剂，脂肪酸胺盐为溶质的电解液更稳定，寿命更长。因为后者在 105或更高温度下长时间使用后，羧酸和多元醇之间易发生多种反应。如：热解反应：RCOONH4RCOOH+NH3酰胺化反应：NH4OOC (CH2)nCOONH4NH2OC(CH2)nCONH2+2H2O酯化反应：2RCOOH+HO(CH2)2OHRCOO(CH2)2COOR+2H2O以上反应的结果是：电容器内压上升，电解液黏度变稠，电阻率增大，电容器电性能恶化，电容器耐纹波能力大
8、大下降。而 丁内酯为副溶剂，季胺盐为溶质的体系，不易发生上述反应，对电极箔和氧化膜的破坏作用也小。同时由于该体系电解液的黏度较小，电解液的渗透力也优于单纯的多元醇系列，从而保证了电容器的低 r、耐大纹波电流、耐高温和长寿命。该系列电解液优点是电阻率降低后其耐压性能维持不变。研究发现这主要是添加剂的作用，而且该系列电解液的电阻率(30)可以降到 500cm，电容器耐压仍可达到 450V。表 2 电解液基本组成与性能组分乙二醇 丁内酯溶质添加剂性能 (30)cmUSVw%6570131020182.0750500电容器耐纹波能力还与电容器纸的复合电阻有极大关系。以下对策有助于降低高频下的 r：电容
9、器纸的密度要小，渗透能力要强。正负极之间的间距要小，即正负极之间的隔离电容器纸要薄。电极面积要大，即在体积允许的情况下，选用低比容的正极化成箔更有利于降低 r，为此我们选用日本 NKK 公司生产的 PDEH60 型电容器纸，只要单层 60m 即可满足上述要求，又保证了产品小型化。虽说低密度的电容器纸有利于阴极引出箔和电解液的接触，但有可能造成芯子不平整度的增加和强度的降低，箔片和引出片粗糙的边沿又往往使电容器纸断裂，使通路品增多。万捷电容器公司通过不懈的努力，以合理的工艺和先进的加工设备完全解决了这个问题。而国产电容器纸则不然，仅采用单层 60m 纸制作400V 大型电容器易造成击穿短路，往往
10、要采用双层 45m 纸，这样就使两电极之间距离加大，不但不利于缩体，而且导致电容器纸的复合电阻增大，结果使电容器耐纹波能力下降。1.2 高可靠性和长寿命化要提高电容器可靠性，延长使用寿命，应从以下几方面着手考虑：优质的铝箔与高纯度的化工材料；工作电解液的稳定性；电容器的密封与防电解液的泄漏；电容器纸和电极箔的选用；介质氧化膜与电解液的反应。电解液的稳定性与电容器纸的选用在前面已讨论过，阳极铝箔的介质氧化膜与电解液的反应一般是由于电解液性能的恶化而引起的。如电解液的不稳定而产生过多的水分会导致氧化膜发生水合，所以优质的阴、阳极箔是高可靠性的保证。经对比我们选用日本松下公司生产的 A04 u-58
11、0 Vf 型阳极箔。用其制造的 400 V 105 100F的电容器性能良好，经电子部五所进行全项目质量检测试验，性能优良。国产箔中虽说天津电子箔实业公司生产的 H104-580 Vf 性能尚可，但由于其比容小，制约了产品缩体，从而影响其使用范围。详细数据见表 3、表 4。当电解纸、阴、阳极铝箔、电解液选定后，影响长寿命的另一个关键因素是电容器的密封材料。一般电容器的密封是用弹性橡胶盖板，但实际上密封是不完善的。随着温度的升高和时间的推移，电解液透过橡胶盖板会慢慢挥发，这样电解液的成分必然发生变化，诱发电极反应，使电容器性能恶化，缩短电容器的寿命。通过解剖众多耐久性试验样品，分析电解液挥发的原
12、因，大致有如下几种：密封材料本身在高温下的老化造成的缓慢渗漏。橡胶盖板上铆钉孔的泄漏。铝壳滚边和盖板结合处的泄漏。防止电解液挥发的措施着重从如下几方面考虑：提高盖板上橡胶的耐老化性能，有效地降低电解液的透过率。目前国产盖板在这方面还远不如进口盖板，日本一家公司在深圳的工厂生产的盖板，其接触电阻和泄漏能力均优于国产品。其上层包覆的橡胶为三元乙丙胶，电容器芯子与盖板内层接触面上有一层很薄的高分子聚丙烯膜。盖板的结构、铆钉的尺寸、铆钉孔的尺寸、盖板的厚度、橡胶层的厚度以及盖板与铝壳是否匹配等因素，都可能影响电解液的挥发，必须予以足够的重视。选用盖板时，必须考虑其材质与电解液溶剂是否相溶。2 电容器耐
13、久性试验结果1998 年 6 月，将深圳万捷电容器有限公司生产的开关电源专用的 MC 系列铝电解电容器，送电子部五所进行 105全项目性能试验，所有试验项目全部合格，耐久性和高温贮存均进行了 105 1 000 h，测量结果见表 4。试验样品为 21 只(编号从 37 号到 57 号，表中只取 37 号到 55 号前 10 只的数据)。表 3 中列出了不同标准电容器额定纹波电流的数值。分析 1 000 h 耐久性试验后的试验数据，可简单归纳如下：(1)开关电源用 105高纹波铝电解电容器的可靠性主要取决于原材料。(2)耐高温、耐 大纹波电流和长寿命最终还取决于工作电解液。(3)从表 4 中电容
14、器耐久性试验前后的容量变化率来看，最大值只有 1.02%，远远小于国标的规定值(15%)，损耗也远远小于规定值，由此可见电容器的实际寿命远超过 105 1 000 h。 表 3 额定纹波电流对比表(400 V 100 F)公司产品深圳万捷公司 Rubycon MXP 系列 CD293(GB9609-88)额定纹波电流 A0.69(105)0.60(105)0.4(85)电容器尺寸 mm223522352235表 4 MC 系列电容器 105 1 000 h 耐久试验数据0 h 测量 1 000 h 测量样品号 CRFCC-1%tg10-4IL1ACRFCC-1%tg10-4IL2A3798.2
15、00-1.80303.0270.0099.0000.81352.043.003997.500-2.50301.0277.0098.4000.92323.048.004197.200-2.80300.0257.0098.1000.93342.028.104398.500-1.50311.0269.0099.5001.02359.032.404598.100-1.90305.0297.0099.0000.92356.031.004797.000-3.00321.0284.0097.7990.82325.042.304997.200-2.80322.0275.0098.1000.93346.037.
16、905198.700-1.30305.0264.0099.6000.91353.028.405399.200-0.08314.0248.00100.000.81343.028.905598.299-1.70320.0271.0099.2000.92331.041.50规格：400 V 100 F 测量环境：23，RH：50% 测量频率：100 Hz测量仪器型号：4274A CLC-202A作者简介：王 津：毕业于天津大学电子工程系，现任深圳万捷电容器有限公司总工程师。研制，开发出 HC、SHC、MC等系列高温、高频、低阻抗高可靠铝电解电容器。曾先后在天津隆津公司从事开关电源的设计工作；天津松下电子品部有限公司从事铝电解电容器技术品管工作。作者单位： 张飞翔 王 津 深圳万捷电容器有限公司 深圳 518004朱绪飞 刘 霖 南京理工大学化工学院 323 室 南京 2100943 参考文献
