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

关于铝电解电容器的使用寿命

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，有施加电压、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交付规格书中均有记载。
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

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，遵循阿雷尼厄斯定律(4)式、(5)式。

\(k = Ae^{ \frac{-E}{RT} } ・・・(4)\)

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

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)

将上述(5)式应用于铝电解电容器的寿命的话，就变为(6)式，并转换为(7)式。

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

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

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

实际的寿命推算，近似地使用(8)式。

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

Lo: 在工作上限温度时，施加额定电压或叠加额定纹波电流时的规定寿命(hours) (各产品的耐久性规定时间)
Lx: 实际使用时的推定寿命 (hours)
To: 产品的工作上限温度 (°C)
Tx: 实际使用时的周围温度 (°C)
Bt: 温度加速系数

在此，温度加速系数Bt，在60～95°C时大约为2，适用于10°C2倍定律。但是，在阿雷尼厄斯式(6)中，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°C2倍定律的温度范围。(图19)

【图19】阿雷尼厄斯定律和10°C2倍定律的寿命计算结果

特别是当产品的保证温度为超过105°C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。
另外，对于低温段的寿命，因为没有实际的评估数据、且对于长期间的耐久性，除电解液的蒸发以外还需要考虑封口材料劣化等其他因素，所以请把Tx以40°C作为下限，并把15年作为推定寿命的上限。

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，施加电压对寿命的影响可以忽略不计。（图20）

【图20】耐久性（电压参数）

(注) 因施加电压的差异很小，测试点重叠。

但是，尺寸大的高耐压产品，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使氧化膜劣化的因素。
因此，额定电压350Vdc以上的一部分螺丝端子产品，在寿命推定中要考虑施加电压降低所产生的因素。

3. 纹波电流与寿命

铝电解电容器与其他电容器相比损失比较大，因此纹波电流会引起内部发热。纹波电流引起的发热会伴随着温度上升，因此给寿命带来很大的影响。
因此每个产品都设定有额定纹波电流。

3-1　纹波电流和发热

施加纹波电流时的消耗电力用下式表示。

\(W={I_R}^2R+V{I_L}・・・(9)\)

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°C时的5～10倍程度，但因I_R ≫ I_L，所以变为（10）式。

\(W \approx {I_R}^2R・・・(10)\)

求达到发热和放热平衡的温度的条件，

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

β ：放热常数
A：外壳表面积（m²）
ΔT：纹波电流引起的自我温升（°C）

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

D：外壳的直径（m）
L：外壳的长度（m）

因此，自我温升ΔT变为（12）式。

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

另外，纹波电流为120Hz的情况下的自我温升，由（12）式表示为（13）式。

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

其中

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

tanδ：120Hz时的损失角正切值
ω ：2πf（f为120Hz）
C ：120Hz时的静电容量（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（°C）
因系列而异。请另行咨询。

虽然有一些系列降低周围温度Tx可以施加超过额定纹波电流的电流，但自我温升ΔT升高，因此寿命会变短。ΔT在各周围温度下都有其规定的界限值，请在使用中不要超过其界限值。另外，元件中心温度的界限值为『Tx＋ΔT界限值』。下表显示各周围温度下的ΔT界限值的例子。

周围温度Tx	85°C以下	105°C
△T界限值	15°C	5°C

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的正弦波的有效值来规格化的，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发生改变。就像开关电源，当铝电解电容器内叠加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（15）式表示。

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

W：消耗电力
I_f1、I_f2、…I_fn：分别为频率_f1、_f2、…、_fn时的纹波电流值（Arms）
R_f1、R_f2、…R_fn：分别为频率_f1、_f2、…、_fn时的等效串联电阻值（Ω）

将各频率下的频率修正系数设为F_fn，将_fo设为纹波电流基准的频率时，因R_fn ＝ R_fo/F_fn2的关系成立，所以将各频率成分的纹波电流值换算为基准频率的纹波电流有效值Ifo时使用（16）式。

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

I_fo：换算为基准频率的纹波电流值（Arms）
F_f1、F_f2、…F_fn：分别为频率_f1、_f2、…_fn时的频率修正系数

另外，等效串联电阻会随温度而变化，β会随基板安装状态而变化。为了求得更正确的ΔT，推荐用热电偶进行实测。

3-3　推定寿命式

考虑过周围温度、纹波电流引起的自我温升和施加电压的影响后的推定寿命式，一般用（17）～（19）式表示。

● 贴片型、引线型：按施加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 ：在工作上限温度时，施加额定电压时的规定寿命（hours）
Lr ：在工作上限温度时，叠加额定纹波电流时的规定寿命（hours）
Lx ：实际使用时的推定寿命（hours）
To ：产品的工作上限温度（°C）
Tx ：实际使用时的周围温度（°C）40°C以下时，请按40°C来推定寿命。
ΔT ：叠加纹波电流时的自我温升（°C）

※ΔTo：叠加额定纹波电流时的自我温升（°C）
※Kt ：周围温度加速的修正系数
※Kv ：电压降额系数（基板自立型160Vdc以下、螺丝端子型350Vdc以下时为1）
※A ：叠加纹波电流时的自我温升加速系数（因使用条件而异。）
关于※项目请另行咨询。

关于工作上限温度为125°C以上产品的推定寿命式，请另行咨询。

推定寿命式计算出的结果不是保证值，敬请注意。在对电容器进行检讨时，请选定相对于设备的设计寿命有充分余量的产品。另外，推定寿命式计算出的结果超过15年的场合，以15年为上限。如需检讨推定寿命15年以上的产品，请另行咨询。

我们准备了相关参考文章，请一并查看。

还提供在线寿命计算服务，欢迎使用。

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4. 充放电与寿命

给铝电解电容器施加电压的话，阳极箔的电介质上就会积累电荷。通过放电电阻放电的时候，积累在阳极箔上的电荷就会移动到阴极箔上。此时，移动的电荷会在阴极箔上引起铝和电解液的化学反应（形成电介质）。

像这样反复进行充放电的场合，化学反应会持续进行，阴极箔容量减少，电容器的容量也会减少。另外，还伴随着发热·气体的产生。根据充放电条件，内压上升后会导致压力阀动作或破坏。铝电解电容器用于以下用途时，请与我们商谈。

频繁进行电源ON/OFF的电路
反复进行周期短的快速充放电的电路
反复进行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)

由放电时的电荷状态求电量Q

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

因此

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

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

一般品和充放电用特殊品的比较数据如图23～25所示。

【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

电源的起动时及焊接机的充电开始时所流过的浪涌（突入）电流虽然是msec单位，但电流会成为平时使用时的10～1000倍。一般来说，单次的浪涌电流，在其时间内产生的发热能量很小，不会产生问题。但是，在频繁反复进行的情况下，与叠加过大纹波电流同样，元件的发热会超过容许值，外部端子的连接部或电容器内部引出端子与箔的连接部会产生异常发热，因此需要注意。

6. 异常电压与寿命

施加异常电压会引起发热及伴随气体产生的内压上升，导致压力阀动作或破坏。

6-1　过电压的情况

施加超过额定电压的过电压时，阳极箔会发生化学反应（形成电介质反应）。此时，漏电流会急剧增加，引起发热·伴随气体产生的内压上升。
这个反应会因施加电压·电流密度·环境温度而加速，导致压力阀动作或破坏。另外，还伴随着静电容量的减少、损失角的增加、漏电流的增加，有可能导致内部短路。过电压施加特性的例子请参照图26。

■引线型35V560μF的例子

【图26】105°C过电压施加特性

6-2　反向电压的情况

施加反向电压时，阴极箔会发生化学反应（形成电介质反应），与过电压的情况同样，漏电流会增加，引起发热·伴随气体产生的内压上升。
这个反应会因施加电压·电流密度·环境温度而加速，伴随着静电容量的减少、损失角的增加、漏电流的增加。反向电压施加特性的例子请参照图27。
即使施加的电压为1V程度，静电容量也会减少。反向电压为2～3V的情况下，由于静电容量的减少、损失角的增大、漏电流的增大，寿命会变短，反向电压更高的情况下，会导致压力阀动作或破坏。（图27）

■引线型25V47μF的例子

　【图27】105°C反向电压施加特性

6-3　用于交流电路

在交流电路中使用铝电解电容器时，由于与在阴极上施加电位以及流过过大纹波电流的情况相同，因此在内部产生伴随发热、气体产生的内压上升，导致压力阀动作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，不仅电容器可能会破坏，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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