铝电解电容器的寿命｜日本贵弥功株式会社

铝电解电容器的寿命

周围温度与寿命
施加电压与寿命
纹波电流与寿命
充放电与寿命
浪涌电流
异常电压与寿命

铝电解电容器的使用寿命会因使用条件而受到很大的影响

作为环境条件包括温度、湿度、气压、振动等，电气条件的话,有电压、纹波电流、充放电等。平常在平滑电路下的使用时、温度和纹波电流所产生的发热是决定寿命的重要因素、作为耐久性在目录及纳入仕样书中均有记载。
而且，如持续在高湿度、振动的用途及频繁充放电的用途的情况下，要考虑各个条件下的耐久性。

1. 周围温度与寿命

電電铝电解电容器的寿命、一般受电解液通过封口部向外蒸发的现象的影响、表现为静电容量的减少、损失角正切值的增大。
电解液的蒸发速度和温度的关系用阿雷尼厄斯定律表示(4),(5)

\(k = Ae^{ \frac{-E}{RT} } ・・・(4)\)

\(\ln K = \big( \frac{-E}{RT} \big) + \ln A・・・(5)\)

k: : 反应速度常数
A: : 频度因子
E: : 活性化能量
R: : 气体常数(8.31J/deg)
T: : 绝对温度(K)

把上述公式(5)应用于铝电解电容器的寿命的话，就成了公(6)、变换成公式(7)。

\(\log \big( \frac{Lx}{Lo} \big) = \frac{E}{2.303R} \big(\frac{1}{Tx} - \frac{1}{To} \big) ・・・(6)\)

\(\log Lx = \frac{E}{2.303R} \big(\frac{1}{Tx} - \frac{1}{To} \big) + \log Lo・・・(7)\)

Lo: : 温度To时的寿命(小时)
Lx: : 温度Tx时的寿命(小时)
To: : 制品的工作上限温度(K)
Tx: : 实际使用时的周围温度(K)

用公式（8）来推算实际的寿命。　

\(Lx = Lo \times Bt^{(To-Tx)/10} ・・・(8)\)

　Lo ：在工作温度的上限、施加额定电压或额定纹波电流
重叠时的规定寿命（hours）
　（各制品的耐久性规定时间）
　Lx ：温度Tx时的寿命（小时）
　To ：制品的工作上限温度（℃）
　Tx ：实际使用时的周围温度（℃）
　Bt ：温度加速系数

在此，温度加速系数Bt，在60～95℃时太约为2，适用于10℃2倍数定律。但是、在阿雷尼厄斯公式（6），绝对温度的倒数1/T和寿命的对数之间有着直线关系，因此严格来讲，也有并不近似10℃2倍数定律的温度范围。（图-19）
　
特别是当制品的保证温度为超过105℃时的寿命推算，根据推算温度加速系数Bt的温度范围，而必须改变系数。关于实际的寿命推算请另行咨询。

对于低温段的寿命，因为没有实际的评估数据、且对于长时间的耐久性，不仅要考虑电解液的蒸发以外还要考虑封口材质劣化等要素，所以请把40℃作为下限，并把15年作为推算寿命的上限。

　　　　
　　　【图19】阿雷尼厄斯定律和10°C2倍数的寿命计算结果　　　

2. 施加电压与寿命

在额定电压以下使用的话,一般来讲施加的电压对其使用寿命影响很小,与其周围温度及纹波电流所产生的发热的影响相比,影响几乎可以不用考虑。

　

　　　　　　　【图20】耐久性（电压参数）
　　　　（注）因施加电压的差异很小，很多测试点重合。

不过、尺寸大的高压品，因为电解液的搭载量多，除了因温度而使电解液蒸发以外，也不可忽视因施加电压而让氧化膜劣化的因素。因此，额定电压为350V以上的一部分LG制品,在寿命推算中要考虑减小施加电压所产生的因素。

3. 纹波电流与寿命

铝电解电容器与其他电容器相比，因损失比较大，纹波电流会引起内部发热。纹波电流引起的内部发热会随着温度的上升而增大,而给寿命带来很大的影响。
因此每个制品都设定有额定的纹波电流。

3-1 纹波电流和发热
　施加纹波电流时的消耗电力如下列公式。

\(W={I_R}^2R+V{I_L}・・・(9)\)

　
　
　W ：内部的消耗电力
　I_R ：纹波电流
　R ：内部电阻 (等效串联电阻)
　V ：施加电压
　I_L ：漏电流

漏电流I_L 在最高使用温度时是20℃时的5～10倍，因I_R ＞ I_L ，所以公式为 (10)
　

\(W \approx {I_R}^2R・・・(10)\)

用公式 (11) 来求达到平衡发热和放热温度的条件。
　

\({I_R}^2R = \beta A \Delta T・・・(11)\)

　β ：放热常数
　Ａ：铝壳表面积
　ΔT：根据纹波电流的自我温升 (℃)
　

\(A = \frac{\pi}{4}D(D + 4L)\)

　
　D：铝壳的直径
　L：铝壳的高度

自我温升ΔT 　公式 (12)
　

\( \Delta T = \frac{{I_R}^2R}{ \beta A} ・・・(12)\)

纹波电流为120Hz的情况下，自我温升由公式 (12) 转化为公式 (13)
　

\( \Delta T = \frac{{I_R}^2R}{ \beta A} = \frac{{I_R}^2 tan \delta }{ \beta A \omega C} ・・・(13)\)

\(R= \frac{tan\delta}{\omega C} \)

　
　tanδ：120Hz下的的损失角正切值
　ω ：2πf (f为120Hz)
　C ：120Hz下的静电容量 (F)

　根据纹波电流可用公式14来算出大概的自我温升ΔT
　

\( \Delta T = \big(Ix/Io\big) ^{2} \times \Delta To・・・(14)\)

　Io ：在工作上限温度时的用频率系数修正后的额定纹波电流 (Arms)
　Ix ：实际使用时的纹波电流 (Arms)
　ΔTo：叠加额定纹波电流时的自我温升 (℃)

自我温升因系列而异,请另行咨询虽然有一些系列降低周围温度可以施加超过额定的纹波电流，但自我温升△T升高的话，寿命就会变短。△T在各种周围温度下都有其规定界限值，请在使用中不要超过其界限值。另外、素子中心温度的界限值为『Tx+△T界限值』

下表是各周围温度下的ΔT 界限值的例子

周围温度	85℃以下	105℃
△T界限值	15℃	5℃

ΔT 界限值因系列而异，请另行咨询。

3-2 纹波电流与频率

通常，额定纹波电流值都是用120Hz或100KHz下的正弦波的有效值来标准化的，但由于等效串联电阻ESR具有频率特性，所以根据频率的变化，可以允许的纹波电流值会有改变。就像开关电源，铝电解电容器内有商用电源频率成分和开关频率成分的情况下，内部消耗电力用下列公式 (15) 表示。
　

\(W=I_{f1}^{2}R_{f1}+I_{f2}^{2}R_{f2}+ \cdots \cdots +I_{fn}^{2}R_{fn}・・・(15)\)

各频率下面的频率修正系数用Ffn 表示、用fo来作为纹波电流基准下的频率的话，因Rfn =Rfo/Ffn2、所以各频率下的纹波电流可用公式 (16) 来换算。
　

\(I_{fo}= \sqrt{(I_{f1}/F_{f1})^{2} +(I_{f2}/F_{f2})^{2} \cdots \cdots (I_{fn}/F_{fn})^{2} } ・・・(16)\)

　
因等效串联电阻会随温度而变化、β会随基板安装环境而变化，所以推荐用热电偶实测的方法来求到正确的ΔT值。

3-3 寿命推算式

考虑过因周围温度和纹波电流使本身的温度上升和施加电压的影响后的寿命推算公式一般用 (17) ～ (20) 表示。

● 贴片型、引线型：按加载额定电压规定耐久性时

\(Lx=Lo \times 2^{ \frac{To-Tx}{10} } \times 2^{ \frac{- \Delta T}{5} } ・・・(17)\)

● 贴片型、引线型：按叠加额定纹波电流规定耐久性时

\(Lx=Lr \times 2^{ \frac{To-Tx}{10} } \times 2^{ \frac{ \Delta To- \Delta T}{5} } ・・・(18)\)

●基板自立型、螺丝端子型

\(Lx=Lr \times 2^{ \frac{Kt(To-Tx)}{10} } \times 2^{ \frac{ \Delta To- \Delta T}{A} } \times Kv ・・・(19)\)

　Lo ：工作温度为最大，施加额定电压时的规定寿命（小时）
　Lr ：工作温度为最大，叠加额定纹波电流时的规定寿命（小时）
　Lx ：在实际使用条件中推算的寿命（小时）
　To ：制品的工作上限温度（℃）
　Tx ：实际使用时的环境温度（℃）
　　　　40℃以下的时候，在推算寿命的时候请按40℃来推算
　ΔT ：叠加纹波电流时的自我温升（℃）

　※ΔTo：叠加额定纹波电流时的自我温升（℃）
　※Kt ：周围温度加速的修正系数
　※Kv ：电压降额系数（基本自立型＜160Vdc、螺丝端子型＜350Vdc时为1）
　※A ：叠加纹波电流时自我温升加速系数（因使用条件而不同。）
　关于※项目的相关内容请另行咨询。

关于上限温度为125℃以上产品的寿命计算式，请与弊司联系。
对象系列：MXB、MHS、MVH、MHL、MHB、MHJ、MHK、GPA、
GVA、GXF、GXE、GXL、GPD、GVD、GQB、GXAA

请注意推算出来的结果并不是保证值。
在对设备进行寿命设计的时候，请检讨使用寿命充裕的电容器。推定寿命计算结果超过15 年的场合，按15 年为上限。如果需要推定寿命15 年以上的产品，请与弊司联系。

4. 充放电与寿命

给铝电解电容器施加电压的话，正极箔的电介质上就会积累电荷。通过放电电阻放电的时候，积累在正极箔上的电荷就会移动到负极箔上。此时，铝和电解液就会在负极箔上发生化学反应（形成电介质）。
像这种反复多次充放电的场合，发生化学反应的负极箔容量和电容器的容量都会减少。与此同时、也会产生发热．气体。根据充放电条件，内压上升后会产生压力阀动作或产品破坏等情况。铝电解电容器用于以下的用途时，请与敝司商谈。
　
　　・频繁的开/关电源的电路
　　・反复短周期的快速充放电的电路
　　・反复电压变动大的充放电的电路


【图21】充电时的电荷状态	【图22】放电时的电荷状态（断开电源V1，放电后的状态）

\(Q=C_{A}V_{1}\)

\(Q=C_{A}V_{2}+C_{C}V_{2}\)

所以
　

\(C_{A}V_{1}= C_{A}V_{2}+C_{C}V_{2}\)

\(V_{2} = \frac{C_{A}V_{1}}{C_{A}+C_{C}} ・・・(20)\)

一般品和充放电用特殊品的比较数据用图23～25表示。


【图23】急速充放电特性（充放电次数的影响）	【图24】急速充放电特性（施加电压的影响）

【图25】急速充放电特性（周围温度的影响）

5. 浪涌电流

虽然电源起动时及电焊机开始充电时电流所通过的浪涌电流的单位为msec，但此时的电流是平时的10-1000倍。一般来说，在单个的浪涌电流的时间内产生的热量很小，不会有问题出现。但请注意，如频繁反复的通过浪涌电流，就会和叠加过大纹波电流产生同样的情况，素子的发热超过容许值、外部端子的连接部或是电容器内部引出的端子线与铝箔的接触部会产生异常发热。

6. 异常电压与寿命

施加异常电压会引起电容器内部发热和产生气体而导致内部压力上升，
压力上升会导致开阀或电容器损坏失效。

6-1 过大电压

施加高于额定电压的电压会引起阳极箔的化学反应（形成电介质）导致漏电流迅速增加,从而产生热量和气体,内部压力因此也会升高。

这种化学反应会随着电压,电流,环境温度的升高而加快。随着内部压力增加,电容器会开阀或损坏失效。也可能会导致电容器容量降低,损失角和漏电流增加,从而会导致电容器短路。图-26中是电容器施加过大电压特性的一个例子。

■例：引线型35V560μF

　　　　　　　　【图26】105°C过大电压特性

6-2 反相电压

施加反相电压会引起电容器阴极箔的化学反应，同施加过大电压一样会导致漏电流迅速增加,电容器内部会产生热量和气体而引起内压升高。
这种化学反应会随着电压，电流，环境温度的升高而加快。同时静电容量减少，损失角增大，漏电流增加。图-27是电容器反相电压特性的一个例子。
施加大概1V的反相电压会导致容量减少；施加2V-3V的反相电压会导致容量减少，损失角增加/或者漏电流增加而缩短了电容器的寿命。如果施加更大的反相电压会导致开阀或电容器损坏。（如图27）

■例：引线型25V47μF

　　　　　　　　　【图27】105°C反相电压特性

6-3 用于交流电路

在交流电路中使用铝电解电容器时，由于与阴极上施加电位以及流过过大波纹电流的情况相同，因此在内部产生伴随发热、气体产生的内压上升，导致压力阀运行或电解液从封口部泄漏，最坏的情况下有可能导致爆炸或起火。进而，不仅电容器可能会损坏，可燃物（电解液和元件固定材料等）也可能会向外部飞散，甚至导致电气短路状态。请勿用于交流电路。

上述内容以外的问题及咨询，联系方式如下。

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