KA_IX

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开关电源中铝电解电容和固态电容的选型

2021-6-29 14:09:54 显示全部楼层

铝电解电容器是一种有正极、负极的电容器,铝电解电容器的基本结构是由一层阳极铝箔,一层阴极铝箔和中间夹有一层浸有电解液的衬垫纸以及天然氧化膜经重叠卷绕而成的,电极浸过电解液之后,再用铝壳和胶盖封闭起来的电容器。

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图1 铝电解电容内部等效结构图

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图2 铝电解电容内部结构


铝电解电容的优缺点:

优点:

1、 大容量;
2、 高耐压;
3、 价格低廉。

缺点:

1、 不耐高温(一般最高工作温度为105℃,因为铝电解电容的电解质为液态,铝电解电容温度高会导致电解液挥发,甚至干涸。);
2、 温度特性差,性能随温度波动大;
3、 ESR值大,高频滤波特性差;
4、 电解质为离子传导,高频响应能力差;
5、 电解液在长时间的使用过程,会逐渐干涸,限制长期使用寿命;
6、 液体电解液易受热膨胀,出现漏液或爆裂的现象。

要解决铝电解电容因电解液缘故导致性能和可靠性问题,为此产生出固态电容,固态电容是将铝电解电容的电解液换成二氧化锰、导电高分子聚合物等固态材料,极大地提高了电解电容的性能和可靠性。

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图3 固态电容外形图

固态电容的优缺点:

优点:

1、 固态电解质是导电性高分子聚合物,为电子导电模式,而液态电解质为离子导电模式。在导电性上,固态电解质优于液态电解质;
2、 极低的ESR,在宽工作温度范围内ESR几乎不变;
3、 耐纹波电流,由于极低的ESR,允许在某瞬间通过很大的纹波电流;
4、 长寿命,固态电容由于无液态电解质易挥发的现象,使用寿命长;
5、 高可靠性,因采用固态电解质,不会出现液态电解液的漏液,干涸等问题。
缺点:
1、 价格比铝电解电容贵。

铝电解电容和固态电容的主要参数:
1、 容量:根据需求选择合适的容值,但并非容值越大越好;容值增大,成本和体积可能会上升,还有其他应用方面的问题,故需要结合产品需求设计合适的容值;
2、 额定工作电压:根据需求选择合适的耐压,往往容值和额定工作电压在同一体积的条件下是相互制约的。实际应用中,长期工作时电容两端的电压应力不得超过额定工作电压,最好留有余量;
3、 ESR(等效电阻):实际的电容产品由于其材料、结构的原因,会存在各种的阻抗和感抗。其中等效串联电阻被称为ESR,电容的ESR越小,越是可以很好地吸收快速转换时的纹波电流;
4、 极性:插件铝电解电容和固态电容存在正负极,并且不能接反;若反向电压、反向电流过大,伴随气体产生、压力阀可能被损坏,若压力阀来不及打开,会产生爆炸。一般情况下较长的PIN脚为正极,较短的PIN脚为负极;
5、 纹波电流:根据需求选择合适的纹波电流,理论来说实际工作的纹波电流不得超过额定纹波电流的80%。
6、 电容寿命:每个电容厂家都有电容寿命的评估公式,故实际评估电容寿命时,需要按照各自厂家的寿命评估公式进行评估。但八九不离十,寿命评估主要由额定纹波电流、实际工作纹波电流(有效值)、实际电容内部温度等参数进行折算可长期工作时间。往往固态电容的寿命会比铝电解电容的寿命长。
7、 温度范围:一般电容的工作温度范围为-40℃到105℃,可根据产品需求进行选择。

铝电解电容和固态电容的常见失效模式:
1、 过电压:铝电解电容过电压,若失效,可存在压力阀炸裂、正负极短路、正负极开路;固态电容过电压,存在正负极短路;
2、 过电流:电解电容发热异常、压力阀开裂;
3、 正负极接反:压力阀炸裂、漏电流增大。

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