等效串联电阻和电容量通常是电解电容器的寿命状况判定依据,随着电容器老化,电容量会不断减少,而ESR值则不断增大。早期阶段铝电解电容电解液充足,容值和ESR与标准参数一致,电容器投入使用之后,电解液因挥发或漏液而损失一部分,此外阳极箔氧化膜损伤的修复也会消耗一部分电解液,到后期,电解液明显减少后,会使电容极板有效面积减少(主要是阴极有效面积的减少)电容量因此也将变小,此时,电容ESR也会明显增大。电容量下降或者ESR增大到一定程度时,电容器达到寿命的末尾,彻底失效。电解液挥发是电解液减少的主要原因之一,而高温工作环境或电容内部的发热是导致电解液挥发的主要原因[10-12]。高温环境下将使电容器难以散热,内部温度会变得更高,电解液因此加速挥发。
使铝电解电容内部发热的根本原因就是电容ESR上的损耗。铝电解电容常用作滤波电容,在电流脉动较大的整流滤波时,尤其是高频整流滤波时(开关电源输出滤波)纹波电流流经电容器,在ESR上产生的损耗并表现为发热,这是铝电解电容的一个缺陷。
此外,当电容器工作环境温度较低时,电解液还有可能会因为太低的温度而太粘稠,也会使ESR增大,而增大损耗,电容量也会下降。以硼酸-乙二醇系为电解液的电容器为例,其低温性能较差,低温环境下回导致电解液粘稠度太大,造成ESR变大而电容量下降的问题,导致电容器在低温环境下失效。
2.3 电解电容等效模型分析
电解电容的最大优点就是容量大,性价比高,但是缺点也很明显,漏电流大,等效串联电阻和等效串联电感较大,且有明显的极性,适用场合通常为中低频电源滤波电路中。如直流变换器中,铝电解电容可作为输出滤波电容,吸收纹波电压以及高次谐波分量,输出平稳的直流电压。电解电容的主要参数有电容量、等效串联电阻、漏电流、等效串联电感、耐压、损耗角、温升等。通常情况下主要考虑的是电容量和等效串联电阻这两个参数。
1)电容量(Capacitance, C)
电容量是指在给定电压时电容器的电荷存储量,即一定的电压下,电容器电荷量与电压的比。经过长时间的使用,电解电容的电解液因为各方面原因不断减少,而使电容量下降,电容量下降到额定值的60%时,这是电容的性能已经很差,可以视为寿命终止。
2)等效串联电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)
等效串联电阻是由于制作材料以及电容结构不可能达到理性,所产生的阻抗,电阻表现为串联,因此称为等效串联电阻。铝电解电容器的等效串联电阻主要有电极电阻,引出端子的电阻,电解液的电阻,阳极箔氧化膜介质的电阻构成,电解液的电阻占据了电容器ESR的首要部分。ESR的存在是电容器特性偏离,以及单参数退化的主要因素,ESR随着电容器老化而增大,达到出厂值的两倍到四倍时,电容器一般可以视为寿命终止。
作为储能元件,电容器本身是没有电能损耗的,事实上电容器是达不到理想的,阳极箔氧化膜由于杂质的存在,使电解电容存在漏电流,而电解液电阻以及引线端子电阻等的存在,这些都是电容的损耗源。因此电容的实际特性与理想特性存在一定的偏差。电解电容有多种等效电路
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