电解电容的基本原理/结构/主要参数/电路应用设计要点

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、电解电容的主要参数

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）。

图 3-1 电容电流电压角度关系

图 3-2 电容损耗角

这里我们将损耗等效在一个电阻上，如图3-3等效电阻特性曲线。 这个电阻一般由三个部分组成：1、氧化层的绝缘损耗，主要由于极化过程中的迟滞损耗，随着频率的增加而减小； 2、电解液的内阻，受温度和频率影响较大； 3、电解电容内部金属导体等效电阻（引线，铝箔），该部分电阻和金属电阻特性一致。 一般在电解电容的规格书给出的是在120Hz测试获得的损耗角（图3-4），在实际的开关电源或者逆变系统中开关频率较高（>10KHz）,需要按照式3-1计算出在该频率条件下的等效ESR。

图 3-3 ESR 分量组成

图 3-4 某电容ESR规格

3.2 阻抗特性

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，这里就不展开了，感兴趣可以参考文献3。

图3-5 电解电容等效电路

图3-6 电解电容阻抗特性

3.3 纹波电流

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：

图3-7 纹波电流频率修正系数

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。

图3-8 铝电解电容的劣化故障

图3-9 特性劣化和电解液量关系

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。

图3-10 电解电容寿命随温度计算公式

3.5 电容应用的一般指标

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