水性电解电容器:从瘟疫到不可或缺的组件

 新闻资讯     |      2019-12-17 12:42

  自众所周知的“电容器瘟疫”以来,水性电解电容器在业界的形象一直不佳。不过,事过境迁,它们现在可以满足现代电子产品的关键要求,并且以聚合物混合电容器的形式成为新的替代产品。

  在21世纪初,水性电解电容器通常使用错误的抑制剂或钝化剂混合物来制造,导致电容器出现通风开口、橡胶塞被推出,或者组件因爆炸而完全被破坏,这就是所谓的“电容器瘟疫(capacitor plague)”。如今这些问题不再存在了,如要了解这些电容器的优势及其对现代电子设备的好处,便需要知晓关于这些组件的基本知识。

  与其他电容器技术相比,铝电解电容器有一个主要优势:具有吸引力的实惠价格,可确保在最小的空间内实现高电容值。此外,它对过电压不敏感,这是数据手册中浪涌电压参数突出强调的事实。铝电解电容器的缺点则是其阻抗较高,电解液会随时间的推移而干涸,低温下阻抗大幅增加以及其对工作温度的依赖性。这是由规定的组件参数决定的,而组件参数又由所使用的电解质来决定。

  具有液体电解质的电解电容器(e-cap)基本上由两个由隔离纸分隔开的铝箔条组成(如图1)。通过电化学蚀刻增大阳极铝箔的有效接触面积。当施加电压(形成)时,在表面上形成一层薄薄的氧化铝层,可充当电介质。液体或固体电解质则形成了阴极,它通过第二铝箔与外部接触。两个铝箔在预定点缝合在一起,然后与隔离纸一起缠绕并浸泡在液体电解质中用于浸渍目的。最后,使用橡胶塞来密封带有浸渍绕组的电容器罐。

  在设计电容器时,随后的等效串联电阻(ESR)值由缝合、所用电解质和隔离纸决定。

  如今,有多种不同液体电解质用于电解电容器中。含有乙二醇(EG)或硼酸的电解质主要用于温度高达85℃的中高压电解电容器中。

  在这种情况下,电解质中的水含量约为5%~20%。可使用抑制剂(化学抑制剂)来防止氧化铝层受到水的负面影响。有机电解质,比如二甲基甲酰胺(DMF)、γ-丁内酯(GBL)和二甲基乙酰胺(DMA)允许用于-55~150℃的宽温度范围。它们具有稳定的参数,例如低泄漏电流和良好的长期性能,因此可以实现长时间运行。这些有机电解质的含水量极低。

  含水电解质的含水量可高达70%。这种高浓度具有以下优点:介电常数(介电导电率)ε= 81的水具有结合极大量盐离子的优异性能。这带来了出色的导电率,反映在极低的ESR中。

  相反地,与几乎无水的传统电解质相比,水性电解质可以实现明显更高的纹波电流性能。此外,由于含水量高,电解质填充的材料成本显著降低了。

  然而,它们也有一个严重缺点,因为水在与铝直接接触时会发生水合反应。然而,坚固的氧化铝层可以保护铝。将抑制剂或钝化剂添加到电解质中,可以防止即使出现损坏层的情况下(例如,由于生产错误或长期储存)水合或腐蚀反应的发生。如果不采取这一步骤,当水和铝接触时会形成大量的热量和气体(氢气),使得电容器受到很大的损坏,甚至在极端情况下还会爆炸。

  即使在今天,一些组件规格仍然会声明永远不应使用水性电解电容器。但是,这项规格并没有具体的定义,例如,最大允许含水量的限制。此外,加入添加剂的负面影响不再存在了,使得这类电容器成为使用寿命长或负载系数高的应用的理想选择。具有较高含水量的电解质常见于当今的低ESR类型产品,其特点是具有高纹波电流耐受性能,在105℃下的使用寿命至少为1万h。

  如果主要目标不仅是要获得理想的电容值,还要得到非常低的ESR,则液体电解质可以部分或完全被导电聚合物代替。这些混合型产品完全通过了AECQ200认证。它们将液体无水电解质与固体聚合物的高导电性结合在一起。为此目的,液体电解质也是部分基于聚合物的。氧化铝层和相对的阴极箔被导电聚合物覆盖着,随后作为固态介质存在于电容器中。

  结果是:非常低的ESR和实现高纹波电流的可能性。改善后的ESR减少了运作期间的自热,而固体聚合物减少了会干涸的液体组件的比例。这就是混合型电解电容器的基本使用寿命比水性低ESR标准型要长得多的原因。与标准型一样,Arrhenius公式(-10℃温度=2倍使用寿命)用作粗略估算各种温度下的使用寿命。

  在电路中设计混合电容器时特别重要的是,它们在使用寿命、频率和温度曲线方面的性能表现。由于使用新的电解质,这些性能会与先前的产品型款完全不同。

  虽然ESR会随着电解电容器在负温度范围内工作以及其使用寿命的增加而上升,但是相对混合类型而言其表现绝对稳定。此外,混合电容器没有出现电容对频率的严重依赖性,因为这里的频率变化几乎没有超过100 kHz。

  另一方面,电解电容器在20 kHz时击穿至少40%。在名义上,设计具有混合电容器的电路时,可以显著降低总电容,同时仍可提高其效率。小型化也是可能的,因为混合技术可以在更小的结构形状中实现更高的纹波电流性能。

  如果你希望完全不用液体部件,可以使用固体聚合物电解电容器。在这种情况下,液体组件会被固体导电聚合物代替,这样可以获得更好的ESR和纹波电流性能,同时消除了电解液干涸的可能性。

  使用寿命大致可以表示为-20℃温度=10倍使用寿命。缺点是价格高、相当高的泄漏电流和湿度敏感性。

  由于固体聚合物会吸收水分,因此这些组件以干燥包装供货,并且一旦打开就要满足严格的处理要求。这些产品类型仅在特殊情况下通过AEC-Q200认证。此外,在实际结构形状方面,这项技术总是需要在电压和电容之间作出取舍。由于固体电解质的缘故,与电解电容器或混合型电容器相同的良好混合程度无法实现。

  此外,固体电解电容器中的残余电流比混合类型中的更明显,因为缺少自由氧以用于电介质中与生产相关的缺陷的自我修复。混合型液体电解质含有氧气,能够自我修复并将残余电流保持在标准电解电容器的水平。另外,固体电解质不能完全渗透蚀刻铝箔的每个孔洞,这对可实现的电容数值具有负面影响,同时增加了漏电流。在频率、温度和使用寿命的稳定性方面,固体聚合物电解电容器与混合电容器旗鼓相当。

  随着业界对ESR、结构形状、长期稳定性和组件价格的要求越来越高,水性电解电容器已成为必不可少的组件。如果技术方面无法满足需求,聚合物电容器可以提供替代方案。特别地,混合型产品代表了性能和价格之间的出色折衷,并受惠于供应商的不断进步发展。它们为电路设计提供了兼具小型化和高效率这两个优点的新选择。

  (注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第8期第30页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。)