铝电解电容器的失效分析

　　一、铝电解电容失效模式与因素概述

　　铝电解电容器正极、负极引出电极和外壳都是高纯铝，铝电解电容器的介质是在正极表面形成的三氧化二铝膜，真正的负极是电解液，工作时相当一个电解槽，只不过正极表面的阳极氧化层已经形成，不再发生电化学反应，理论上电流为零，由于电极与电解液杂质的存在，会引起微小的漏电流。从现象上看，铝电解电容器常见的失效现象与失效模式有：电解液干涸、压力释放装置动作、短路、开路（无电容量）、漏电流过大等。

　　如果铝电解电容器在质量上没有问题，失效问题的出现就是出现在应用环境中。铝电解电容器设计应用环境主要有：环境温度、散热方式、电压、电流参数等。对电容器的应用者而言，短路、开路属于"灾难性的失效"，或曰"致命的失效"，使其完丧失了电容器的功能。其他几类失效模式（即由第二类因素造成的失效），一般归为"劣化失效"，或曰"耗尽失效"。

　　二、铝电解电容的失效机理

　　1、耗尽失效--电解液挥发

　　通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定（初始值）的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈，铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补被杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期，由于电解液挥发而减少，粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，即阳极、阴极铝箔容量减少，引起电容量急剧下降。因此，可以认为铝电解电容器的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。

　　由于应用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器在工作在整流滤波（包括开关电源输出的高频整流滤波）、功率电炉的电源旁路时的纹波（或称脉冲）电流流过铝电解电容器，在铝电解电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。

　　当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时，电阻率因粘稠度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显上升，损耗角增大。例如对于105℃工作温度的电解电容器，其最大芯包温度高于125℃时，电解液粘稠度骤增，电解液的ESR增加近十倍；增大的等效串联电阻会产生更大热量，造成电解液的更大挥发。如此循环往复，铝电解电容器容量急剧下降，甚至会造成爆炸。

　　2、耗尽失效--漏电流增加

　　漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加。

　　3、压力释放装置动作

　　为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸，直径8mm以上的铝电解电容器均设置了压力释放装置（见上图铝电解电容器压力释放装置，中间十字），这些压力释放装置在铝电解电容器内部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作，泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作，铝电解电容器即宣告失效。

　　1）电化学过程导致压力释放装置动作

　　铝电解电容器的漏电流就是电化学过程，电化学过程将产生气体，这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升，最终达到压力释放装置动作泄压。

　　2）温度过高导致压力释放装置动作

　　铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高，如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境。

　　铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体，使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。

　　4、瞬时超温

　　通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃，其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心，是电容器内部最热的点。可是，当电容器升温接近其最大允许温度时，对于大多数型号电容器在125℃时，其电解液要受到电容器芯包的排挤，导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下，瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大，从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能，还要额外注意铝电解电容器的冷却。

　　1）上电冲击产生瞬时过电压的

　　上电过程中，由于滤波电感释放储能到滤波电容器中，导致滤波电容器的过瞬时过电压。上电过电压示意图如下：

　　2）电容过电压失效的防范

　　电容器在过电压状态下容易被击穿，而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。选择承受瞬时过电压性能好的铝电解电容器，有的铝电解电容器给出了瞬时过电压值得参数。

　　3）电解液干涸是铝电解电容器失效的最主要原因

　　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；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；漏电流随温度的升高而增加：25℃时漏电流仅是85℃时漏电流的十分之一不到，漏电流随施加电压升高而增加：耐压400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下漏电流的5倍。

　　三、铝电解电容器寿命

　　电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命。铝电解电容器额定寿命小时数，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。

　　影响铝电解电容器的寿命，主要因素如下：

　　1：温度：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：85℃。一般高温用途：105℃。特殊高温用途：125℃。汽车发动机舱：140~150℃。其中，温度每升高10℃，寿命小时数减半。

　　2：电解液：电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命。

　　总之，根据应用条件，影响铝电解电容器寿命的因素如下：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。

　　铝电解电容器的寿命可根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命，或者根据温度、纹波电流与寿命的关系推算寿命。例如：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"10℃法则"，即环境温度每上升10℃寿命减半，反之亦然，这个"10℃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。

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