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影響電解電容壽命的因素(一)

2020-10-30

電解電容廣泛應(yīng)用在電力電子的不同領(lǐng)域,主要是用于平滑、儲(chǔ)存能量或者交流電壓整流后的濾波,另外還用于非精密的時(shí)序延時(shí)等。在開(kāi)關(guān)電源的MTBF預(yù)計(jì)時(shí),模型分析結(jié)果表明電解電容是影響開(kāi)關(guān)電源壽命的主要因素,因此了解、影響電容壽命的因素非常重要。

1.電解電容的壽命取決于其內(nèi)部溫度。

因此,電解電容的設(shè)計(jì)和應(yīng)用條件都會(huì)影響到電解電容的壽命。從設(shè)計(jì)角度,電解電容的設(shè)計(jì)方法、材料、加工工藝決定了電容的壽命和穩(wěn)定性。而對(duì)應(yīng)用者來(lái)講,使用電壓、紋波電流、開(kāi)關(guān)頻率、安裝形式、散熱方式等都影響電解電容的壽命。

2.電解電容的非正常失效

一些因素會(huì)引起電解電容失效,如極低的溫度,電容溫升(焊接溫度,環(huán)境溫度,交流紋波),過(guò)高的電壓,瞬時(shí)電壓,甚高頻或反偏壓;其中溫升是對(duì)電解電容工作壽命(Lop)影響最大的因素。

電容的導(dǎo)電能力由電解液的電離能力和粘度決定。當(dāng)溫度降低時(shí),電解液粘度增加,因而離子移動(dòng)性和導(dǎo)電能力降低。當(dāng)電解液冷凍時(shí),離子移動(dòng)能力非常低以致非常高的電阻。相反,過(guò)高的熱量將加速電解液蒸發(fā),當(dāng)電解液的量減少到一定極限時(shí),電容壽命也就終止了。在高寒地區(qū)(一般-25℃以下)工作時(shí),就需要進(jìn)行加熱,保證電解電容的正常工作溫度。如室外型UPS,在我國(guó)東北地區(qū)都配有加熱板。

電容器在過(guò)壓狀態(tài)下容易被擊穿,而實(shí)際應(yīng)用中的浪涌電壓和瞬時(shí)高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。尤其我國(guó)幅員遼闊,各地電網(wǎng)復(fù)雜,因此,交流電網(wǎng)很復(fù)雜,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超出正常電壓的30%,尤其是單相輸入,相偏會(huì)加重交流輸入的正常范圍。經(jīng)測(cè)試表明,常用的450V/470uF105℃的進(jìn)口普通2000小時(shí)電解電容,在額定電壓的1.34倍電壓下,2小時(shí)后電容會(huì)出現(xiàn)漏液冒氣,頂部沖開(kāi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,與電網(wǎng)接近的通信開(kāi)關(guān)電源PFC輸出電解電容的失效,主要是由于電網(wǎng)浪涌和高壓損壞。鋁電解電容的電壓選擇一般進(jìn)行二級(jí)降額,降到額定值的80%使用較為合理。

3壽命影響因素分析

除了非正常的失效,電解電容的壽命與溫度有指數(shù)級(jí)的關(guān)系。因使用非固態(tài)電解液,電解電容的壽命還取決于電解液的蒸發(fā)速度,由此導(dǎo)致的電氣性能降低。這些參數(shù)包括電容的容值,漏電流和等效串聯(lián)電阻(ESR)。

參考RIFA公司預(yù)計(jì)壽命的公式:

PLOSS=(IRMS)2xESR(1)

Th=Ta+PLOSSxRth(2)

Lop=Ax2Hours(3)

B=參考溫度值(典型值為85℃)

A=參考溫度下的電容壽命(根據(jù)電容器直徑的不同而變化)

C=導(dǎo)致電容壽命減少一半所需的溫升度數(shù)

從上面的公式中,我們可以明顯的看到,影響電解電容壽命的幾個(gè)直接因素:紋波電流(IRMS)和等效串聯(lián)電阻值(ESR)、環(huán)境溫度(Ta)、從熱點(diǎn)傳遞到周圍環(huán)境的總的熱阻(Rth)。電容內(nèi)部溫度最高的點(diǎn),叫熱點(diǎn)溫度(Th)。熱點(diǎn)溫度值是影響電容工作壽命的主要因素。而下列因素又決定了熱點(diǎn)溫度值實(shí)際應(yīng)用中的外界溫度(環(huán)境溫度Ta),從熱點(diǎn)傳遞到周圍環(huán)境的總的熱阻(Rth)和由交流電流引起的能量損耗(PLOSS)。電容的內(nèi)部溫升與能量損耗成線形關(guān)系。

電容充放電時(shí),電流在流過(guò)電阻時(shí)會(huì)引起能量損耗,電壓的變化在通過(guò)電介質(zhì)時(shí)也會(huì)引起能量損耗,再加上漏電流造成的能量損耗,所有的這些損耗導(dǎo)致的結(jié)果是電容內(nèi)部溫度升高。

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