电解电容的失效机理、寿命推算和防范质量陷阱

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。

铝电解电容器应用环境

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  

耗     尽      失     效

耗尽失效（1）

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倍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。

耗尽失效（2）

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（或称脉动）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度工作温度的电解电容器，其最大芯包温度高于125度时，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。

耗尽失效（3）

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

 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8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力

释放装置，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。

铝电解电容器压力释放装置（中间的十字）

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，前面已经详尽论述，不再赘述。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。

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。

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（driven），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。

瞬时过电压的产生

上电冲击

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

电容过电压失效的防范

电容器在过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，RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值得参数。

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℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加：耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。

电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的的因素（温度1）

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℃

影响铝电解电容器寿命的的因素（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

影响铝电解电容器寿命的的因素（温度2）

温度每升高10℃，寿命小时数减半

影响铝电解电容器寿命的的因素（电解液）

电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命

影响铝电解电容器寿命的的因素（应用条件）

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

影响铝电解电容器寿命的参数与应用条件

工作电压与漏电流的关系

工作电压与漏电流的关系

某公司生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系

温度与漏电流的关系

某公司生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系

温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响

以某电子镇流器用铝电解电容器为例。

在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同

某电子镇流器用铝电解电容器降额寿命特性

某电子镇流器用铝电解电容器的过电压寿命特性

铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系

三、铝电解电容器寿命电容推算方法

简单寿命推算

根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命

根据温度、纹波电流与寿命的关系推算寿命

简单寿命推算方法1

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。

简单寿命推算方法2

国产某些品牌铝电解电容器推荐的方法

日本品牌铝电解电容器推荐的方法

基本思路

在额定电压下，铝电解电容器的寿命可以由以下公式计算。

其中，L和L0分别为：实际环境温度T时的寿命和额定最高温度T0时的寿命。可以看到，铝电解电容器的使用寿命随温度下降每10℃，寿命增加一倍，即所谓10℃法则。因此，无论是使用还是存储，铝电解电容器均应在尽量低的环境温度下为好。例如85℃/1000小时的铝电解电容器在45℃使得实际寿命为{{16000:0}}小时，折合为1年零10个月；29℃时为{{48000:0}}小时，折合为5年零6个月；而1000小时折合为42天。可以看到，降低温度对延长铝电解电容器寿命的重要性。

图解计算

存在的问题

上述三种推算方法仅适用于存储状态和无纹波电流（很小纹波电流）的工作状态（如隔直电容、小信号电路的旁路电容）。对于明显含有纹波电流的工作条件时，上述方法不一定适用，这时应将纹波电流的效应考虑在应用条件中。

考虑纹波电流时的寿命推算方法

铝电解电容器的发热由于内部等效串连电阻（ESR）引起，其产生的损耗为：

  （5.16）

其中I和R（ESR）分别为：纹波电流（A）和等效串联电阻（Ω）。由于发热引起的温升为：

     （5.17）

其中△T、I、A、R（ESR）、H分别为：电容器中心的温升（℃）、纹波电流(A)、电容器的表面积(Cm2) 、ESR (Ω)、散热系数{1.5～2.0)×10-3W/（Cm2×℃）}。

公式（5.17）表示了电容器的温度上升与纹波电流的平方以及等效串联电阻ESR成正比，与电容器的表面积成反比，因此，纹波电流的大小决定着产生热量的大小，且影响其使用寿命，电容器的类型以及使用条件影响着△T值的大小，一般情况下，△T<5℃。图5.26表示纹波电流引起的温升的测量处。

铝电解电容器的温度测试

利用测试结果，并考虑到环境温度和纹波电流时的寿命公式：

  （5.18）

其中，L、L0、K、T0、T、△T分别为：实际使用寿命、直流工作电压下的使用寿命、纹波电流系数（实际纹波电流有效值与额定纹波电流有效值之比，K=2时，纹波电流在允许的范围内，K=4时为超过纹波电流范围）、最高使用温度、工作温度、中心温升。

电容器工作在额定的纹波电流和上限温度时，电容器的寿命可通过转化（5.18）式得到，如下：

（5.19）

其中，L0、△T0分别为：工作在额定纹波电流和最高工作温度下的寿命（小时）、最高工作温度下的电容器中心容许温升。

实际上式（5.18）和式（5.19）所表述的是在测试到电容器壳的温度后所得，而并不知道纹波电流的大小，如果知道纹波电流的大小，可以将式（5.19）改为：

（5.20）

其中，I0、I分别为：最高工作温度下的额定纹波电流（A）：实际的纹波电流（A）。

问题

按照式（5.17）存在的问题就是散热系数的确定，生产厂商不给出用户就无法精确计算，如果粗略估算将会产生至少30%的偏差。由于直接测量电容器的内部温升存在着困难，可以利用下表列出了表面温度和芯包温度的换算关系。

铝电解电容器芯包与外壳温度的关系

问题

以上的寿命的推算公式，原则上适用于周围环境温度为+40℃到最高工作温度范围内，但由于封口材料的老化等因素，实际的推算寿命时间一般最大为15年。

式5.17到式5.20的表述与计算均非常麻烦，而且由于测试以及个体电容器的导热差异而使推算结果很不准确，仅能作为近似估计值。

问题

如果想得到比较准确的推算结果，最好的方法是利用电容器生产厂商所给的温度寿命曲线。比较负责任的国外铝电解电容器厂商能均给出铝电解电容器寿命与环境温度及纹波电流的关系曲线。

根据ESR、热阻、纹波电流推算寿命

EPCOS的B{{43550:0}}规格的铝电解电容器寿命与温度、纹波电流的关系

RIFA的寿命推算方法

根据功率损耗、热阻、实际的ESR推算寿命

为计算铝电解电容器的工作寿（LOP），必须知道：

工作电压（Uapplied），

流过铝电解电容器的纹波电流的有效值(IRMS)，

环境温度(Ta)

热阻(Rth) 。

相关公式

推算方法

首先，在ESR矩阵中，查出不同频率及芯包温度(Th)时对应的“ESR”值，然后计算出纹波电流IRMS流过铝电解电容器时产生的“功率损耗（PLOSS）”。若IRMS由多次谐波构成，则需计算每次谐波产生的功率损耗并依次相加。电容绕组芯包至环境温度的“热阻值”可以在“热阻矩阵”查出，由此可以计算出实际“芯包温度(Th)”，若此实际值与先前选取ESR值时的假设值Th不符，则需修正假设，重新查出ESR值，重复叠代计算，直至结果吻合。

这种推算是最准确的！

需要的条件：

电容器的热阻参数

ESR参数

不同厂商的铝电解电容器的热阻是不同的！

四、购买铝电解电容器需要注意的问题

不要应用来路不明的铝电解电容器（1 ）

为什么不要应用来路不明的铝电解电容器？最根本的原因是我国的电子元件市场曾经历过拆机件、水货、假货充斥市场情况。随着时代的发展，这种现象越来越少。

但是需要注意的是，半导体器件尚可用拆机件，而铝电解电容器绝不能应用拆机件！原因是铝电解电容器的寿命在各类电子元件中寿命是最短的。国外报废的电子产品的拆机件中，铝电解电容器的剩余寿命是最少的。如果仅仅是做实验还能勉强，如果试作产品，其结果是可想而知的。

不要应用来路不明的铝电解电容器（2）

套膜是伪劣铝电解电容器“翻新”的常用手法。通常将买来的铝电解电容器套上升两档标注额定电压的新套膜热缩管，其印刷水平可以以假乱真。

铝电解电容器的“偷电压”

由于铝电解电容器的浪涌电压是额定电压的1.15倍，对于350V耐压的铝电解电容器的浪涌电压为402V，高于220V+20%对应的整流峰值电压370V；而对于300V额定电压的铝电解电容器的浪涌电压为345V，可

以满足243V交流有效值输入电压。如果用额定电压为300V的阳极箔替代额定电压400V的阳极箔将会大大降低铝电解电容器的成本。有的铝电解电容器生产厂商就是采用这种“偷电压”的方法降低生产成本。

偷“电压”的后果

在一般的应用中，为了避免过大的漏电流，延长铝电解电容器的寿命，通常要降低铝电解电容器的使用电压，一般取0.9以下。

如果选用了偷“电压”的铝电解电容器就将已经留出的电压富裕量丧失殆尽，甚至可能使工作电压超过额定电压，这就使漏电流大大增加，从而大大的减少了铝电解电容器的寿命。

拆机件

拆机件通常是国外报废的电子设备上的元件，如果拆的精心，多数器件经过筛选在一般性能上看还是可以用的。唯有铝电解电容器是绝对不能用的。

其原因是，铝电解电容器的寿命相对而言太短了，在额定温度下仅1000~4000小时尽管大多数铝电解电容器生产厂商宣称在40℃可以用10年甚至几十年，但是应用环境是不可预知的，如显示器的内部温度远远不止45℃！因此，几年下来，铝电解电容器所剩下的有效寿命一般很低，不能用于电子产品。

翻新铝电解电容器

翻新铝电解电容器也比较恶劣，通常是收集国外下线铝电解电容器，重新浸电解液后封装。尽管国外著名铝电解电容器检测比国内严格，有些下线的铝电解电容器性能还是接近于国内正品率电解电容器。但是，其性能还是不如国内正牌铝电解电容器。

下线电容器（一）

在国内电子市场上可以看到下线铝电解电容器，通常是一些不负责任的销售商为了获得市场竞争力，到铝电解电容器生产厂收购下线铝电解电容器，剔除没有电容量和击穿的后拿到市场上销售。

下线铝电解电容器的特点是，用万用表测试电容量是正常的。但是如果测试漏电流则会看到下线的铝电解电容器的漏电流和损耗因数高于正品铝电解电容器。而漏电流和损耗因数用户一般是不测试的。

下线电容器（二）

这种下线的铝电解电容器作为耦合电容器时会导致后极的偏置电压偏移，但是又找不出原因；如果用于延迟应用时，会出现延迟时间明显小于设定值或延迟时间不稳定的现象，这是因为铝电解电容器在施加直流电压后漏电流回见效的原因。

由于下线铝电解电容器的漏电流大，实际寿命明显短于预期寿命，例如预期寿命为5年，实际上只有2~3年。这在电子产品的使用初期是根本看不到的。从这里也会看到9000系列质量认证的重要性。

如果下线铝电解电容器用在大纹波电流或高温的应用是极其危险的，其原因是过高的漏电流会导致铝电解电容器在大纹波电流或高温应用时的温度更高，轻者寿命缩短，严重时会导致铝电解电容器“爆浆”而失效。

套膜电容器

套膜是伪劣铝电解电容器“翻新”的常用手法。通常将买来的铝电解电容器套上升两档标注额定电压的新套膜热缩管，其印刷水平可以以假乱真。例如将额定电压250V的铝电解电容器换上额定电压400V的铝电解电容器，这样的铝电解电容器的“价值”将翻番甚至更高。套膜铝电解电容之制造这就是钻了应用时通常要电压降额的习惯，在电压降额后可能正好是套膜铝电解电容器的浪涌电压值，在这个电压下，套膜铝电解电容器还是能用一段时间的。

国外电解电容器厂商的问题

有的国外铝电解电容器制造商在为发达国家供货时是优质电解电容器。

而为我国供货时的电容量总是负偏差，其质量不如为发达国家供货的品质。

其原因除了有歧视我国外，最主要的是在我国，他们的铝电解电容器买不出价格，只能在偷电容量上补偿。

为了降低在我国市场的售价，国外铝电解电容器生产厂商往往推出的是寿命相对短的“经济型”铝电解电容器，如CDE就转为我国推出2000小时的铝电解电容器，这是在欧美市场上看不到的，因此，不要以为国外的铝电解电容器寿命都长。

测试铝电解电容器耐压的简单方法

可能性：铝电解电容器的介质膜是通过阳极氧化方式获得，因此，短时间的小电流“击穿”不会损坏铝电解电容器

基本方法：将铝电解电容器串联一10k电阻；缓缓增加所施加的电压，保持充电电流在1mA以下（对应电阻上的电压低于10V），直到即使不继续增加所施加的电压电流仍不降低时对应的电压就是电解电容器的击穿电压；这个电压的90%就是电解电容器的额定电压这种方法只适用于铝电解电容器

测试电路

购买铝电解电容器的准则

到具有信誉的铝电解电容器生产厂商处或到有信誉的著名铝电解电容器制造商的代理机构购买。

尽量不要到电子市场或信誉不足的代理机构处购买。