極低等效串聯(lián)電阻鋁電解電容器性能研究

1   市場(chǎng)背景及應用前景分析

鋁電解電容器是電子和電氣線(xiàn)路中極為重要的基礎電子元件之一，應用極其廣泛，它在電子線(xiàn)路中起到了濾波、旁路、去耦等作用^[1]；隨著(zhù)電子設備小型化、高性能化、節能化等需求的不斷提高，控制線(xiàn)路中，低壓段（一般指≤ 100 V）鋁電解電容器在尺寸縮小的同時(shí)，使用頻率不斷提升，為滿(mǎn)足使用要求，持續降低電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）是鋁電解電容器一個(gè)主要的發(fā)展方向。雖然目前已有固態(tài)電容在一些中高端使用場(chǎng)合替代了普通液態(tài)的電解電容，考慮到普通液態(tài)鋁電解電容器具有無(wú)與倫比的成本優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)更低ESR 鋁電解電容器仍有廣泛的市場(chǎng)需求。本公司開(kāi)發(fā)的極低ESR 鋁電解電容器目前已廣泛使用在汽車(chē)電子、充電樁、伺服驅動(dòng)、通信電源、逆變器、智能三表、消費類(lèi)電子等各類(lèi)型電子設備控制電路中。

2   現有產(chǎn)品與日系產(chǎn)品

ESR指標差異日系低ESR 電容在一些高端使用場(chǎng)合占據主導地位，主要原因在于其具有更高的壽命與更低的ESR 值，我公司原有高頻低阻抗系列電容與日系有一定差距，現有產(chǎn)品與日系電容數據對比如表1。

3   降低產(chǎn)品ESR的主要途徑

3.1 提升電解液電導率

電解液是鋁電解電容器真正的陰極，電容器充放電過(guò)程中內部陰陽(yáng)離子分別向正負極鋁箔表面移動(dòng)，電導率越高的電解液離子移動(dòng)速度快，熱損失越小，產(chǎn)品的ESR就越小，因此提高電解液電導率是降低產(chǎn)品ESR的一個(gè)主要途徑^[2]。格力新元原有25 V 產(chǎn)品采用電導率為50 ms/cm 的電解液，含水率為55% 左右，水作為優(yōu)良的溶劑，對溶質(zhì)的溶解度較高，并且可以加快離子在電場(chǎng)中移動(dòng)速度，繼而提高電解液電導率，但是過(guò)多的水分如果使用不當會(huì )導致內部發(fā)生水合反應，嚴重者會(huì )導致電容器失效。水既可以和Al₂O₃介質(zhì)氧化膜反應又可以直接和鋁反應，反應機理如下：

通常情況下，會(huì )采用磷酸及其無(wú)極化合物作為抑制水合反應的添加劑，但是隨著(zhù)水含量比例增加，磷酸及其無(wú)極化合物抑制水合反應效果逐漸衰減，并且考慮電解液閃火電壓等性能，添加比例只能控制在1% 以下。通過(guò)研究發(fā)現，我們選用一種新型有機化合物的防水合添加劑，添加含量在8%~10% 時(shí)，即使70% 的含水量的電解液也不會(huì )發(fā)生水合反應，所開(kāi)發(fā)的電解液電導率達80 ms/cm，閃火電壓達90 V 以上，可滿(mǎn)足25 V 以下工作電壓電容器的使用；

如圖1 給出的閃火電壓測試曲線(xiàn)。

3.2 電解紙的選用

不同電解紙的選用對電容器ESR 影響極大。電解紙密度越高、厚度越厚其耐壓性能越好，但所做電容ESR則越大，即使相同密度和厚度，不同的纖維結構ESR也會(huì )不同，因此在保證耐壓的同時(shí)，降低紙密度以及選擇更優(yōu)質(zhì)纖維材料是電解紙開(kāi)發(fā)的一個(gè)方向。低壓電容器用不同電解紙性能對比如表2。

從上表中可看出MJ2 電解紙在相同密度和厚度情況下，ESR 值遠小于SM2 系列電解紙。本次研究項目中，我們選用了MJ2 系列電解紙，確保了產(chǎn)品ESR 指標的達成。

3.3 負極箔的選用

在本文所列舉的市場(chǎng)應用中，有些應用場(chǎng)合對電容壽命要求較高，比如通信電源、智能三表等行業(yè)壽命要求105℃ 10 000 h 以上，在長(cháng)壽命的電容設計上，負極箔也是不能忽視的一個(gè)重要材料，在電容器長(cháng)期使用過(guò)程中，負極鋁箔內部雜質(zhì)的存在會(huì )導致產(chǎn)品漏電流上升，從而影響電容器的使用壽命，常規設計電容一般選用≥ 98% 純度的負極箔，本次研究項目我們選用了≥ 99.4% 的高純負極箔，確保產(chǎn)品壽命指標的達成。

3.4 膠塞的選用

膠塞在電容器中主要起密封的作用，本次項目研究我們選用的電解液具有電導高、含水量高的特點(diǎn)，電解液的飽和蒸氣壓偏高，密封性能尤為重要，密封性能不好，電解液揮發(fā)速度變快，電容器容量衰減就會(huì )加速，會(huì )過(guò)早導致電容器的失效。我們選用了密封性能好的丁基膠材質(zhì)的膠塞，確保電容器在壽命期內的密封性能及使用壽命。

4   新開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品的性能指標

結合上述的設計思路，我們制作的極低ESR 電容25V470，ESR 指標略?xún)?yōu)于日系同類(lèi)產(chǎn)品。產(chǎn)品數據如表3 所示。

電容通過(guò)了105℃，7 000 小時(shí)的壽命試驗，未出現水合導致的漏電流增加、外觀(guān)鼓底等不良現象，高溫負荷壽命數據如表4 所示。

參考文獻：

[1] 徐友龍.鋁電解電容器技術(shù)的新進(jìn)展[J].電子元件與材料,2008 ,27(9):5-7.

[2] 崔志武,韋春才,李和太,等.鋁電解電容器[M].北京:學(xué)苑出版社,1990.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）