电解电容特性.doc

电解电容特性电解电容外面有一条很粗的白线，白线里面有一行负号，有一边是负极，一边是正极，电解电容可分为有极性电解电容和无极性电解电容。 电容的单位是UF微哼、PF皮法，常见的体积有0.1UF-4.7UF、10UF-470UF、1000UF-4700UF等。在中国，进行电解电容这方面生产的厂家也是非常多的，我公司位于东莞多年来专业生产电解电容、销售电解电容，铝，公司吸纳了许多人才，在产品发明方面，做出了巨大的成绩。铝电解电容器在电容器中占第二位这类电容器本来是一般的直流电容器，但现在已经从直流发展到交流、从低温发展到高温、从低压发展到高压、从通用型发展到特殊型、从一般结构发展到片式、扁平、书本式等结构。其上限容量已扩展到4F左右，使用频率已达到30kHz，工作温度范围已达到-55125，有的甚至高到150，额定电压己达到700V。总之，铝电解电容器的发展越来越广。 导致这些发展的基础如下： 1.在材料上，现在用的电解电容在成分和结构上都很考究。已经不再要求高纯，为了提高电解电容起始腐蚀点数、机械强度及介质氧化膜的性能，电解电容中要适当的含有某些杂质并有的采用合金箔。电解电容在结构上，对低压箔，不要求立方结构占的比例很大，但是对高压箔，则要求这种结构占到80%一90%以上。对阴极箔为了提高其比容，则要求晶粒无规则取向的含杂量一定的合金铝箔。 工作电解液有三种成分构成即溶剂、溶质和添加物，如已长期应用的电解液，其成分为乙二醇、甘油、硼酸和氨水。由于铝电解电容器的发展，这种电解液已远不能满足要求，故产生了许多新型电解液，以降低电容器的工作温度范围(如-55l25)。这些新型电解液的配方原则是：用两种溶剂混合以达到互补。用两种弱酸，以提供所需的两种阴离子团。加碱，如有机胺，以调整电解液的pH值和闪火电压改变其电阻率。改进电解液特性的添加物，如防止铝氧化膜发生水合作用的磷酸或其盐，吸收氢的二硝基苯等，提高电解液闪火电压的乙烯氧化物。 2.在工艺上，除了已经实现生产机械化和自动化以外，铝电解电容器在工艺上的进展主要是腐蚀相赋能两个工艺。铝箔的腐蚀系数不但已经很高(低压电容器箔已达100，高压者达25)，而且可以根据对电容器的性能要求，腐蚀出不同坑洞形貌的铝箔。腐蚀工艺是一种腐蚀液种类、浓度、温度、原箔成分、结构、表面状态、腐蚀过程中箔速度以及电源类型、波形、频率、电压等的动态平衡工艺。问题是如何得出最佳的动态平衡和如何根据要求确定出最传平衡。因此，对现在的腐蚀工艺还不能说已经达到了最佳状态。 现在的赋能工艺已经可以制造出优质的介质氧化膜，而且还可以根据要求不同，制造出不同的介质电解电容，例如，对直流电容器，制造出和型结晶氧化铝膜，对交流电容器，则为非晶膜。赋能工艺最大的进展是能将氢氧化铝膜转变成介质氧化铝膜、并能在其表面形成防水层。此外，还能消除介质膜的疵点和龟裂。 3.在结构上，铝电解电容器的结构已经多样化，除了上述液体铝电解电容器外还有固体铝电解电容器。其结构形式主要有两种，一种是箔式卷绕形的，另一种是铝粉烧结多孔块状的，所用的固体电解质主要是MnO2。 铝电解电容器的结构已经多样化，如双阳极结构、对阴极结构、 书本式结构、三角式结构、片式结构。其中片式铝电解电容器的出现是铝电解电容器的又进步。因为如果没有高比容的铝箔、耐高温的电解液、优异的密封结构和精细的加工技术，是很难制出合乎要求的片式铝电解电容器的，目的，其片式化率还处于比较低的水平。我国是全球最大的电解电容生产国和出口国，同时也是电解电容的消费大国。在日前公布的电解电容行业发展规划中明确指出，期间电解电容的发展重点为：新能源配套用电解电容、功率型逆变电解电容、功率型变频电解电容、汽车电子配套电解电容。可以说，节能环保、信息技术、新能源、新材料及新能源汽车等新兴产业为电解电容器发展带来了新的机遇。国内电解电容企业应更具前瞻性目前，全球电容器产能主要集中在日本、台湾地区以及中国大陆。与前两者相比，国内电容器产能虽大，但多为低端产品。因此，中国电子元件行业协会电容器分会秘书长潘大男就指出：“国内电容器企业应顺应市场变化，密切关注前瞻性行业，不断推出适应不同整机要求的产品，才能做大做强。当前电容器厂商应该关注太阳能光伏、风力发电、潮汐发电、节能灯具、电动汽车、混合动力汽车、汽车电子、地铁、高铁、直流输变电、三网合一、高清电视、机顶盒、手机电视等行业的发展。”铝电解电容优势依然巨大电容器约占整机电子元件用量的40%左右，而铝电解电容器占整个电容器产量的34%。 铝电解电容器由于具有电压和电容量范围宽、储电量大、价格低的优势，在消费电子产品应用中占44%，主要应用于电脑、彩电、空调、照相机等家用电器及数控车床等。随着铝电解电容器技术进步不断提升、产品结构不断丰富，近年来其在汽车电子、新能源、航天军工等领域应用广泛，主要用于制造节能灯、变频器、逆变器、不间断电源等，这会使铝电解电容器在整个电容器市场占有率有望进一步提升。高频、低阻抗、长寿命、宽温度、超小型等将是铝电解电容器的发展方向。薄膜电容顺势而起与铝电解电容器相比，薄膜电容器有可靠性好、性能稳定、容量大等优点，更适用于户外较为恶劣的自然环境。尤其在新能源汽车、风力发电、太阳能发电、高铁和轻轨列车及高压变频器领域，薄膜电容器凭借寿命、温度和电压上的优势成为首选。据了解，国际风电巨头维斯塔斯等厂商就已经开始启用薄膜电容器，而丰田新能源汽车普瑞斯二代用薄膜电容器替换铝电解电容器。在国内，铝电解电容器巨头江海股份也斥资20000万元，建设10条高压薄膜电容器生产线，形成年产100万只高压大容量薄膜电容器，也是为未来新能源汽车用薄膜电容器做准备。作为全球前五大薄膜电容器厂商，法拉电子也大力拓展变频家电和新能源市场，该公司生产的交流薄膜电容器可以应用于新能源多个领域：混合动力汽车、风电、太阳能等。但薄膜电容器体积大、价格高的缺点也对市场占有率有很大影响。为了适应新型产业的需求，高频、大容量、大电流、低阻抗、高电压、高dv/dt特性将是薄膜电容器发展方向。 薄膜电容器PK铝电解电容，未来谁执牛耳？目前，铝电解电容器在新能源市场上的市场容量仍大于薄膜电容器，但凭借优异的性能，薄膜电容器的渗透率也在不断提升当中。未来，是薄膜电容器谁取代铝电解电容器，还是根据高压范围区分市场？在即将到来的第78届中国电子展上，由中国电子器材总公司和中国电子元件行业协会主办，中国电子商情杂志社和中国电子元件行业协会电容器分会承办的 “电容器应用与选型研讨会”将着重讨论这两种电容器在绿色新兴产业中的应用前景与市场发展，并为工程师和采购人员提供选型与应用设计参考，提升中国本土工程师和采购人员的设计和采购能力。 高端铝电解电容器技术含量高、品质要求严格、市场准入的门槛高，利润水平高，竞争状况明显好于低端市场，铝电解电容器下游制造向中国大陆转移带动铝电解电容器产业本土化. 铝电解电容器产业链转移创造了巨大的高端市场进口替代需求，高端市场的产业转移趋势尤为明显.钽电解电容：优点-ESR值很低、滤高频改波性能极好，寿命长、耐高温、精度高、机械强度高、体积小缺点-容量较小（适合SMT类PCB板使用）、额定耐压值低（标准品的最高额定耐压值为63V）、抗浪涌能力差（实际使用中，电压要降额50%）、价格比铝电解贵、近期供货不稳定。铝电解电容：优点-价格便宜、额定耐压值高（单只最高可做到450V）、抗浪涌能力强（可承受1.3倍额定电压60S,很适合做滤波）缺点-存储寿命短（电解液挥发后漏电流增大、ESR值增高，寿命多为2-3年）、使用寿命不同，价格也不同（标准品为2000小时，寿命越长，价格越高）、受温度影响很大（工作中，温度每身高10度，寿命减半）电解电容的机理与电气功能 了解了电解电容的基本构造后，可能会产生这样的问题：电容从何而来？电容的物理意义为何？电容器的主要参数有哪些？电容器在电子线路中起哪些作用？下面我们将对上述问题一一作出解答。 众所周知，空间中的一个带电体具有两个电参数：电荷电量Q和电位势U。而这两者的比值（Q/U）表现出一种有趣的规律：这个比值仅与带电体本身的尺寸、形状及其所处的空间环境有关，而与带电体所带电荷的多少无关。也就是说，带电体所带电荷与其电位势的比值表征了带电体及其周围环境所构成的系统的一种固有属性，我们把此比值称为电容量，以C(=Q/U)来表示。电容量也可以理解为带电体（电位势一定的情况下）容纳电荷的能力。 我们通过两个例子来了解电容量C的计算方法： （1）真空中孤立带电球（R=r0）的电容量如何计算？设孤立电荷的电量Q=q，其相对于无穷远处的电位势U=q/(40r0)，则其电容量C=Q/U=40r0。从计算结果可以看出，电容量只与带电体的本体尺寸，形状和所处的空间环境有关，而与所带电量无关。 （2）平行板电容器的电容量计算方法。所谓平行板电容器是指两块相对平行的金属板中间隔以相对介电常数为r、厚度为d的电介质所构成的电子元件。设平行板电容器储存的电荷Q=q，则正负极板的电荷分别为q、q，两极板间的电位差为u。平行板电容器可以看作是两个孤立带电体电容器串联构成。设正极板相对于无穷远处的电位U=u，则负极板的电位U=uu。正负极板具有的电容量分别为q/u，q/(uu)。两者串联的合成容量1/C=1/(q/u)1/q/(uu)=u/q， 即C=q/u。由物理学的推导可以得出，u=4dq/(r0S),所以C=r0S/4dq。同样，电容量仅与其结构尺寸有关，而不依赖其带电量的多少。 电容量（Capacitance）、工作电压（operatingVoltage）、损耗因子（LossFactor）、绝缘电阻（Insulat?ingResistance）等是标定电容器特性的基本电气参数。电容器的电容量、损耗因子通常以120Hz下数字电桥测定的数值为准；绝缘电阻则是电容器隔离直流作用的数值化表征，希望电容器的绝缘电阻越高越好。表征电容器特性的参数还有：击穿电压（BreakdownVoltage）、容许流通的最大纹波电流（Max.RippleCurrent）、使用温度范围（OperationTemperatureRange）、容量温度系数（TemperatureCoefficient）、频率特性（FrequencyCharacteristics）等。 电容器在电子线路中的作用一般概括为：通交流、阻直流。电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用，是电子线路必不可少的组成部分。在LSIC、VLSIC已经大行其道的今天，电容器作为一种分立式无源元件仍然大量使用于各种功能的电路中，其在电路中所起的重要作用可见一斑。作贮能元件也是电容器的一个重要应用领域，同电池等储能元件相比，电容器可以瞬时充放电，并且充放电电流基本上不受限制，可以为熔焊机、闪光灯等设备提供大功率的瞬时脉冲电流。电容器还常常被用以改善电路的品质因子，如节能灯用电容器。 电容器的相关计算 电容器的容量 电容器的静电容量的计算公式可表达为：用字母可表示为： 其中K=8.85108F/cm。 若干电容器并联，其合成容量等于各个电容器容量之和，即C=C1C2Cn。电容器并联可以增强其流通纹波电流的能力，扩展其在滤波、旁路电路中的使用。若干电容器串联，其合成容量的倒数等于各个电容器容量的倒数和，即：1/C=1/C11/C21/Cn。电容器并联使用，相应于增大了电介质的厚度，故可以提高其耐压能力，使用在工作电压较高的工作场合。 电容器存储的电能电容器充电至端电压V时，此时再移动dQ=CdV的电荷所作的功为VdQ=CVdV，那么在电容器的整个充电过程中，电容器储存的电能E即可表示为：;在整个充电过程中，电源消耗的电能为QV，所以为电容器充电，电源的能量利用率仅为50。 充放电时电容器端子的电压与电流变化趋势 电容器通过定值电阻R充电时，电容器端子的电压、电流变化趋势为： 电容器通过定值电阻R放电时中，电容器端子的电压、电流变化趋势为： 1?3电容器的分类 依据所使用的材料、结构、特性等的不同，电容器的分类也不同。在此，我们主要依据电容器特性原理的不同，将其分为两大类：化学电容器（chemicalcapacitor）和非化学电容器。 化学电容器 化学电容器是指采用电解质作为电容器阴极的一类电容器。广义上讲，电解质包括电解液（electrolyte）、二氧化锰（MnO2）、有机半导体TCNQ、导体聚合物（PPy、PEDT）、凝胶电解质PEO等。化学电容器又包含两大类别：电解电容器（electrolyticcapacitor）和超电容器（supercapacitor）。 电解电容器是指在铝、钽、铌、钛等阀金属（ValveMetal）的表面采用阳极氧化法（AnodicOxidation）生成一薄层氧化物作为电介质，以电解质作为阴极而构成的电容器。电解电容器的阳极通常采用腐蚀箔或者粉体烧结块结构，其主要特点是单位面积的容量很高，在小型大容量化方面有着其它类电容器无可比拟的优势。目前工业化生产的电解电容器主要是铝电解电容器（Aluminiumelectrolyticcapacitor）和钽电解电容器（Tantalumelectrolyticcapacitor）。铝电解电容器以箔式阳极、电解液阴极为主，外观以圆柱形居多；钽电解电容器采用烧结块阳极，阴极采用半导体材料二氧化锰，外形多为片式（chiptype），适应于SMT技术需求的SMD。 超电容器一般采用活性炭（ActiveCarbon）、二氧化钌（RuO2）、导体聚合物（polymerConductor）等作为阳极，液态电解质作为阴极。超电容器可以获得法拉级的静电容量，有利于化学电容器的超小型化，但是，其缺点是单体（cell）的耐电压有限，采用水系电解液（AqueousElectrolyte），耐电压在1V以下，即便是采用非水系电解液，其耐电压一般也不超过3V。确切地说，超电容器是介于电容器和电池（Battery）之间的储能器件，既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能机理氧化还原反应。超电容器也可以分为两类：（1）以活性炭为阳极，以电气双层的机制储存电荷，通常被称作电气双层电容器（ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC）;(2)以二氧化钌或者导体聚合物为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器（ElectrochemicalCapacitor,EC）。 非化学电容器 非化学电容器的种类较多，大都以其所选用的电介质命名，如陶瓷电容器、纸介电容器、塑料薄膜电容器、金属化纸介/塑料薄膜电容器、空气电容器、云母电容器、半导体电容器等。 陶瓷电容器采用钛酸钡、钛酸锶等高介电常数的陶瓷材料作为电介质，在电介质的表面印刷电极浆料，经低温烧结制成。陶瓷电容器的外形以片式居多，也有管形、圆片形等形状。陶瓷电容器的损耗因子很小，谐振频率高，其特性接近理想电容器，缺点是单位体积的容量较小。 以往的纸介电容器、塑料薄膜电容器多用板状或条状的铝箔作为电极，现在，大多采用真空蒸镀的方式在电容器纸、有机薄膜等的表面涂覆金属薄层作为电极。由于金属化形式的出现，该类电容器在小型化和片式化方面有了长足的发展，对电解电容器构成一定的挑战和威胁。 云母电容器采用云母作为电介质，其特点是电容器的可靠性高、容量的温度变化率很小，常被用来制作标准电容器。 半导体电容器大概分为两类：一类是由两块相接触的N型和P型半导体构成。众所周知，当N型半导体接正、P型半导体接负馈电时，电流不易流过PN结，电荷即在PN结的两侧聚集，起电容器的功效。并且PN结的耗尽层会因外加电压的大小变化而改变其厚度，也即正负电荷层的间距会发生变化，故而表现出容量随外加电压的变化而变化的特性：外加电压增大，容量减小。另一类被称为半导体陶瓷电容器。由掺杂金属La的N型半导体陶瓷钛酸钡的两个侧面涂布银电极，并焊接上端子而构成。银电极和半导体陶瓷的界面呈现整流特性：从银电极到半导体陶瓷，电流容易流通，反之则电流几乎不能流通。因而，当给两端子上外加电压时，电荷会在某一界面的两侧聚集，表现出电容器的特点。 2铝电解电容器 2-1铝电解电容器的结构特点 铝电解电容器的芯子是由阳极铝箔、电解纸、阴极铝箔、电解纸等4层重迭卷绕而成；芯子含浸电解液后，用铝壳和胶盖密闭起来构成一个电解电容器。同其它类型的电容器相比，铝电解电容器在结构上表现出如下明显的特点： （1）铝电解电容器的工作介质为通过阳极氧化的方式在铝箔表面生成一层极薄的三氧化二铝（Al2O3），此氧化物介质层和电容器的阳极结合成一个完整的体系，两者相互依存，不能彼此独立；我们通常所说的电容器，其电极和电介质是彼此独立的。 （2）铝电解电容器的阳极是表面生成Al2O3介质层的铝箔，阴极并非我们习惯上认为的负箔，而是电容器的电解液。 （3）负箔在电解电容器中起电气引出的作用，因为作为电解电容器阴极的电解液无法直接和外电路连接，必须通过另一金属电极和电路的其它部分构成电气通路。 （4）铝电解电容器的阳极铝箔、阴极铝箔通常均为腐蚀铝箔，实际的表面积远远大于其表观表面积，这也是铝质电解电容器通常具有大的电容量的一个原因。由于采用具有众多微细蚀孔的铝箔，通常需用液态电解质才能更有效地利用其实际电极面积。 （5）由于铝电解电容器的介质氧化膜是采用阳极氧化的方式得到的，且其厚度正比于阳极氧化所施加的电压，所以，从原理上来说，铝质电解电容器的介质层厚度可以人为地精确控制。 2?2铝电解电容器的性能特点 同其它类别的电容器相比，铝电解电容器的优越性表现在以下几个方面： （1）单位体积所具有的电容量特别大。工作电压越低，这方面的特点愈加突出，因此，特别适应电容器的小型化和大容量化。例如，CD26型低压大容量铝电解电容器的比容量约为300F/cm3，而其它在小型化方面也颇具特色的金属化纸介电容器的低压片式陶瓷电容器的比容量一般不会超过2F/cm3。 （2）铝电解电容器在工作过程中具有“自愈”特性。所谓“自愈”特性是指介质氧化膜的疵点或缺陷在电容器工作过程中随时可以得到修复，恢复其应具有的绝缘能力，避免招致电介质的雪崩式击穿。 （3）铝电解电容器的介质氧化膜能够承受非常高的电场强度。在铝电解电容器的工作过程中，介质氧化膜承受的电场强度约为600kV/mm，这一数值是纸介电容器的30多倍。 （4）可以获得很高的额定静电容量。低压铝电解电容器能够非常方便地获得数千乃至数万微法的静电容量。一般来说，电源滤波、交流旁路等用途所需的电容器只能选用电解电容器。 当然，铝电解电容器也有以下显著缺点： （1）绝缘性能较差。可以这样说，铝电解电容器是所有类别的电容器中绝缘性能最差的。对铝电解电容器而言，通常采用漏电流来表征其绝缘性能，高压大容量铝质电解电容器的漏电流可达1mA以下。 （2）损耗因子较大，低压铝电解电容器的DF通常在10以上。 （3）铝电解电容器的温度特性及频率特性均较差。 （4）铝电解电容器具有极性。使用在电子线路中时，铝电解电容器的阳极要接电路中的电位高的点，阴极接电位低的点，才可能正常发挥电气功能。如果接反了，电容器的漏电流急剧增大，芯子严重发热，导致电容器失效，并有可能燃烧爆炸，损害线路板上的其它器件。 （5）工作电压有一定的上限。根据铝电解电容器介质氧化膜的特殊生成手段，其最高工作电压一般为500V，且发展潜力十分有限；而对其它非化学电容器而言，只要适当加厚其电介质的厚度，理论上的工作电压可以达到任意上限值。 （6）铝电解电容器的性能容易劣化。使用经过长期存放的铝电解电容器，不宜突然施加额定工作电压，而应逐渐升压至额定电压。 （7）传统铝电解电容器由于采用电解液作为阴极，在片式化方面存在较大的障碍，故其片式化进程落后于陶瓷电容器及金属化薄膜电容器。 2?3铝电解电容器的电性能参数 铝电解电容器的额定容量接E6系列的优选数确定，即：(N=0,1,25)；共有6个数值,与E6系列相对应的允许偏差为20，但对通用的电解电容器而言，其正偏差常放宽至50。 铝电解电容器的损耗因子的定义为：在规定频率的正弦电压下，电容器所消耗的有功功率和无功功率的比值，即： 其中，f为正弦电压的频率，C为在该频率下电解电容器串联模型的容量，r为电解电容器的等效串联电阻（ESR）。 铝电解电容器的漏电流通常定义为施加额定工作电压若干分钟以后流过电容器的电流。通常，铝电解电容器容许的最大漏电流可以用下式界定： Il=KCU(A) 其中，C为电容器的容量（F），U为所施加的直流电压值（V），K是与电容器类型有关的常数，通常的取值范围为0.010.1，低漏电流的系列品也有取值小于0.002的情况。 额定工作电压是指在规定的环境温度范围内所能施加到电解电容器上的最大直流电压值。按GB2472?81的规定，适用于电解电容器的额定电压序列为：4.0,6.3,10,16,25,35,50,63,100,125,160,250,300,450,500,630。根据实际的需要，有时也用到200V及350V的产品。 3铝电解电容器面临的挑战与机遇 20世纪80年代，当LSI、VLSI蓬勃发展的时候，有人曾经对电容器的前景极为悲观，随后的事实证明，这些看法有一些杞人忧天的味道：自上个世纪80年代中期起，电容器产业的年平均增长率均在20以上，1993年全球电容器的销售产值已达130亿美元。铝质电解电容器的销售产值占整个电容器产业的1/3多。但是，随着电