元器件基础学习笔记——铝电解电容

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一、铝电解电容的发展史

铝电解电容器的历史可以追溯到1921年，当时出现了液体铝电解电容器。这种电容器通过铝箔的电化学蚀刻过程增加了表面积，从而提高了电容值。

1938年前后，铝电解电容器进行了重要的改进，由多孔纸浸渍电糊的方式，转变为干式铝电解电容器。这一改进使得电容器的稳定性和可靠性得到了显著提升。

随着时间的推移，铝电解电容器在市场上的地位也发生了变化。例如，钽电容器曾经是电容家族中的重要成员，但在2010-2011年间，其市场份额下降，铝电解电容器的地位也因此受到了影响。铝电解电容器在1978年之前被认为是高新技术产品，经过三十多年的发展，这种产品在国内生产商中已不再属于高新技术产品范畴。

铝电解电容器的发展史是一个不断创新和改进的过程，它不仅反映了技术进步，还体现了市场需求的变化。随着新技术的应用和制造工艺的改进，铝电解电容器将继续在电子行业中扮演重要角色。

二、铝电解电容的结构和特性

2.1 铝电解电容的结构

2.1.1 铝电解电容器素子

铝电解电容器素子，又被称为电容芯，是铝电解电容器的核心组成部分。它由阳极箔，电解纸，阴极箔和端子（内外部端子）卷绕在一起含浸电解液后装入铝壳，再用橡胶密封而成。其结构如下图所示：

铝电解电容器主要构成如下：

① 阳极：通常由铝箔构成，这是电容器的一个电极。

② 阴极：真正的阴极是电解液，它与浸有电解液的电解纸和阴极箔相连。

③ 电介质：在阳极铝箔表面形成的氧化膜（Al2O3），这层氧化膜具有高介电常数，能够有效地存储电荷。

2.1.2 常见的铝电解电容结构

常见的铝电解电容根据外部结构的不同，还分为引线（径向引线、轴向引线）型、螺栓型铝电解电容器、螺栓型铝电解电容器、SMD型（表面贴装器件）铝电解电容器。

引线型铝电解电容器

轴向引线型铝电解电容和径向引线性铝电解电容是两种常见的电容器封装形式。

轴向引线型铝电解电容，这种类型的电容器具有从电容器的同一端引出的两个引线，通常被称为”轴向”引线，因为它们沿着电容器的轴线方向延伸。轴向引线型电容器通常用于PCB（印刷电路板）装配，因为它们可以方便地通过焊接在板面上而不影响其他组件的布局。

轴向引线型铝电解电容结构如下图所示：

径向引线性铝电解电容，这种类型的电容器具有从电容器的相反两侧引出的两个引线，通常被称为”径向”引线，因为它们沿着电容器的直径方向延伸。径向引线性电容器通常用于通过孔装配，即引线可以直接插入PCB的孔中并焊接在板的背面。

径向引线性铝电解电容结构如下图所示：

牛角型铝电解电容器

牛角型铝电解电容器，又称为基板自立型或焊针型电解电容器，是引线型铝电解电容器的一种变体。牛角型铝电解电容器之所以被称为”牛角”是因为其外形类似牛角，通常具有两个焊针作为引出端，方便焊接在电路板上。这种设计使得它在安装时可以节省空间，适合在空间受限的环境中使用。

牛角型铝电解电容结构如下图所示：

螺栓型铝电解电容器

螺栓型铝电解电容器结构由金属螺栓、两个金属垫片和介质材料组成。当螺栓和垫片拧紧时，介质材料被挤压在两个金属垫片之间形成电容结构。螺栓型电解电容器的设计使得其在安装和维护时更加方便。用户可以根据需要调整电容器的位置和连接方式，这种灵活性在电子设备的布局中非常有用。

螺栓型铝电解电容器结构如下图所示：

SMD型（表面贴装器件）铝电解电容器

贴片叠层电容器是一种新型的电子元件，也称为片式电容或无引脚电容器。其特点是体积小、重量轻、无引脚，适合自动化表面贴装，具有高可靠性和高耐压等特点，但在大容量方面存在限制。

SMD型（表面贴装器件）铝电解电容器结构如下图所示：

2.2 铝电解电容的特性

2.2.1 大容量

铝电解电容的电容值大主要是由于其特殊的结构设计和工艺制造技术。

电解质的作用

铝电解电容器中使用的电解液或导电性聚合物，使得电容器可以存储更多的电荷。由于离子在电解液中是可移动的，这增加了电容器储存能量的能力。

氧化膜的形成

在阳极铝箔表面形成的氧化膜（Al2O3）非常薄且致密，这层氧化膜作为电介质，具有整流特性，类似于二极管的阀金属特性。这样的氧化层不仅提供了良好的绝缘性能，而且其厚度与耐压成正比，意味着电容器可以在更高的电压下稳定工作，从而存储更多的能量。

卷绕结构的设计

为了获得更大的电容量，铝电解电容器通常采用将平板电容器卷绕起来的结构设计。这种设计允许在相对较小的空间内增加电极的表面积，从而提高了电容器的容量。

2.2.2 有正负极性

铝电解电容有正负极性，在使用中要注意正负极的正确连接，否则不仅电容起不到作用，而且漏电流很大。短时间内，电容器内部会发热，损坏氧化膜，进而损坏，甚至发生爆炸。

如下图所示，铝电解电容器的基本结构由阳极、附着在绝缘介质上的铝层、接收电极的阴极铝层和由电解质构成的真正阴极组成。电解液浸在两层铝层之间的纸中。铝层上镀有氧化铝层，非常薄，容易被击穿，导致电容器失效。

氧化铝层可以承受正向直流电压。如果承受反向直流电压，很容易在几秒钟内发生故障。这种现象称为“阀门效应”，这就是铝电解电容器具有极性的原因。如果电解电容的两个电极都有氧化层，就会形成无极性电容。

还有一个氢离子理论可以解释铝电解电容器承受反向电压出现问题的原因。当电解电容承受反向直流电压时，即电解质的阴极承受正电压而氧化物承受负电压时，聚集在氧化层中的氢离子会穿过介质到达介质的边界和金属层，然后它们将转化为氢。气体的膨胀力导致氧化层脱落。

因此，电流击穿电解液后直接流过电容器，电容器失效。这个直流电压非常小，在1～2V的反向直流电压下，铝电解电容器会在几秒钟内因氢离子效应而立即失效。相反，当给电解电容器施加正电压时，负离子会集中在氧化层之间。因为负离子的直径很大，无法突破氧化层，所以可以承受更高的电压。

2.2.3 耐压限制

铝电解电容的耐压主要受到两个限制，一是氧化铝膜的厚度，二是铝箔表面的不平整度。

氧化铝膜厚度的限制

铝电解电容绝缘介质是氧化铝膜，铝电解电容为了提高容量，铝箔都经过深度腐蚀提高表面积，表面都是粗糙多孔的结构。如果氧化铝膜弄得太厚，铝箔卷绕起来后，粗糙多孔的表面就容易让氧化膜变脆裂开，产生大量裂纹，引起漏电。根据实际测试，氧化铝膜的极限厚度只能做到1.5um左右，对应耐压约600-700V。考虑到余量和稳定性等因素，厂家生产时最大额定电压就是450V。当然现在技术进步了，额定耐压500V–550V的产品也有，比较贵。越高耐压的产品能接受的腐蚀深度就越低，400V的铝箔腐蚀后表面积大约是原来的20倍，16V铝箔腐蚀后表面积是原来的100倍。因为氧化膜越厚，在粗糙多孔的表面下就越容易脆裂。

铝箔表面的平整度的限制

铝箔表面的不平整也会影响电容器的耐压，因为在电场强度较大的地方，不平整度会导致局部电压集中，从而可能导致击穿。

2.2.4 氧化膜的自我修复功能

铝电解电容的自我修复功能是指当电容器在工作过程中出现内部故障时，电容器会自动进行修复，以保证其正常工作。这种自我修复功能主要是由电容器内部的氧化铝膜实现的。

在铝电解电容器正常工作时，氧化铝膜会逐渐增厚，形成一层保护层，防止铝在电解液中被溶解。当电容器内部出现故障时，比如说介质击穿、极板断路等情况，会导致局部氧化铝膜受损或破坏，形成一定的短路通路。在这种情况下，电容器会自动启动自我修复功能，通过自身的热效应和离子扩散效应，使得氧化铝膜重新形成并且增厚，最终恢复其正常工作状态。

需要注意的是，虽然铝电解电容器具有自我修复的能力，但是这种修复过程并不能保证完全恢复故障前的电容值和性能指标。因此，在实际应用中，如果发现铝电解电容器出现故障，最好还是及时更换或修理。

2.2.5 寿命有限

电解电容的寿命取决于其内部温度。因使用非固态电解液，电解电容的寿命还取决于电解液的蒸发速度，由此导致的电气性能降低。一般来说寿命为10年左右。另外，有时由于电解液的渗漏也会引起电路的绝缘下降。

《阿累尼乌斯定律(10℃ 2倍定律)》

电解液的消耗量与温度有关。众所周知，这种关系基本遵循被称为阿累尼乌斯定律的化学反应速度论。也就是说，当使用温度上升10℃时寿命缩短为二分之一，当使用温度下降10℃时寿命延长为2倍，这种关系也被称为10℃ 2倍定律。

电容寿命计算公式

电容寿命的计算可以参考 RIFA 公司预计寿命的公式：

PLOSS = (IRMS)²x ESR （1）

Th = Ta + PLOSS x Rth （2）

Lop = A x 2　 Hours　（3）

A = 参考温度下的电容寿命（根据电容器直径的不同而变化）

根据寿命公式，可以得出影响寿命的应用因素为：纹波电流(IRMS)、环境温度（Ta）、从热点传递到周围环境的总的热阻（Rth）。

纹波电流的影响

纹波电流的大小，直接影响电解电容内部的热点温度。查询电解电容的使用手册，就可以得到纹波电流的允许范围。如果超出范围，可以采用并联方式解决。

环境温度（Ta）和热阻（Rth）的影响

根据热点温度的公式，电解电容的应用环境温度也是重要因素。在应用时，可以考虑环境散热方式、散热强度、电解电容与热源的距离、电解电容的安装方式等。

电容器内部的热量，总是从温度最高的“热点”向周围温度相对较低的部分传导。热量传递的途径有几种：其一是通过铝箔和电解液传导。如果电容被安装在散热片上，一部分热量还将通过散热片传递到环境中。不同的安装方式和间距和散热方式都将影响电容到环境的热阻。从“热点”传递到周围环境中的总热阻

用Rth 来表示。采用夹片安装，将电容安装在热阻为2℃/W的散热片上，所得到的电容热阻值Rth = 3.6℃/W；采用螺栓安装方式，将电容安装在热阻为2℃/W散热片上、强迫风冷速率为2m/s时，所得到的电容热阻值Rth = 2.1℃/W。（以PEH200OO427AM型电容为例，环境周围温度为85℃）。

另外将延长的阴极铝箔与电容器铝壳直接接触，也是很好的降低热阻的方法。同时应注意铝壳会因此带负电，不能作负极连接。

电容必须正确安装才能达到它的设计工作寿命。例如：RIFA PEH169系列和PEH200系列应该竖直向上安装或者水平安装。同时确保安全阀朝上，这样热的电解液及蒸气才能在电容失效的情况下，从安全阀顺利排出。

当电容排列很紧凑时相邻电容间至少应留出5mm的间隔以保证适量的空气流动。使用螺栓安装时，螺母扭矩的控制非常重要。如果拧得太松，则电容与散热片间就不能紧密接触；如果拧得太紧，又可能使螺纹损坏。同时应注意电容器不应倒置安装，否则可能造成螺栓的折断。

电容安装时应尽量远离发热元件，否则过高的温度会缩短电容器的使用寿命，从而使得电容器成为整个电路中寿命最短的部件。在环境温度较高的情况下，尽量采用强迫风冷，将电容安装在进风

频率的影响

若电流由基频和多次谐波构成，则须计算每次谐波产生的功率损耗值，并将计算结果相加以求得总损耗值。

在高频应用中，电容两端引线应尽量短以减小等效电感。

2.2.6 纹波电流导致的自发热

由于铝电解电容器的ESR (等值串联电阻)大，所以纹波电流（脉动电流）引起的热损失大，会导致自发热，缩短寿命。

2.2.7 静电容量和ESR 的温度依赖性高

如下图所示，在低温时静电容量的变化率大，且ESR 的值也大。

三、铝电解电容常见的失效模式

电容其有失效的时候，而各类电容器的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境各不相同，失效机理也各不一样。以下介绍了铝电解电容几种常见的失效模式。

4.1 漏液

铝电解电容器的工作电解液泄漏是指电容器内部的电解液因为某些原因（例如电容器本身存在缺陷或者使用条件不当）泄漏出来。铝电解电容器通常使用的是有机溶剂（例如有机酸）作为电解液，这种液体具有较强的腐蚀性和挥发性。一旦发生泄漏，这种电解液可能会损坏电路板等其他元件，还可能对操作人员产生刺激和伤害。

漏液的主要原因

③ 制造过程中的问题：如果在铝电解电容器的制造过程中出现问题，例如填充电解液不均匀或者密封不严，就会导致电解液泄漏。

漏液失效的防范

为了防止铝电解电容器的工作电解液泄漏，我们需要注意以下几点：

① 选择品质可靠的铝电解电容器，避免使用低质量或者假冒伪劣的产品。

② 在使用过程中，要避免过度加热或者振动电容器，防止其内部受到损伤。

③ 在安装和维护电容器时，要按照厂家提供的指导进行操作，并确保操作人员具备相应的技能和知识。

4.2 电参数恶化

铝电解电容电参数恶化的主要的原因有电容量下降与损耗增大、漏电流增加。

电容量下降与损耗增大

　　铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降，这是由于负荷过程中工作电解液不断修补并增厚阳极氧化膜所致。铝电解电容器在使用后期，由于电解液耗损较多、溶液变稠，电阻率因黏度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显增大。同时，黏度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，引起电容量急剧下降。这也是电容器使用寿命临近结束的表现。

　　此外，如果工作电解液在低温下黏度增大过多，也会造成损耗增大与电容量急剧下降的后果。在使用上过温，过纹波电流都有可能使电容量下降与损耗增大。

漏电流增加

　　漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。工艺水平低，氧化膜损伤与沾污严重，工作电解液配方不佳，原材料纯度不高，电解液的化学性质与电化学性质难以长期稳定，铝箔纯度不高，杂质含量多等等这些因素均可能造成漏电流超差失效。铝电解电容器中氯离子沾污严重，漏电流导致沾污部位氧化膜分解，造成穿孔，促使电流进一步增大。总之，铝箔中金属杂质的存在，会使铝电解电容器漏电流增大，从而缩短电容器的寿命.在使用上过压等有可能使电容的漏电流增加。

为了防止电参数恶化，应确保电容器在规定的工作条件下使用，并定期检查其状态。一旦发现电参数有异常变化，应及时采取措施，如调整电路或更换电容器，以避免进一步的损害。同时，选择质量可靠的电容器产品也是预防电参数恶化的重要措施。

电参数恶化失效的防范

4.3 击穿

铝电解电容击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂，导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料，工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤。在外加电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他问题，使填平修复工作无法完善，则在阳极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电解电容器击穿。

铝电解电容击穿的主要原因

① 阳极氧化铝介质膜破裂：电解液直接与阳极接触，造成击穿。氧化铝膜可能因为材料、工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤。

② 过载电压：对电容器施加过高的电压，或者进行急速充放电，以及施加反向电压等都可能使电容器发生击穿

③ 正负极接反：铝电解电容器有明确的正负极性，如果安装时接反，可能会导致电容器烧毁，进而发生击穿。

铝电解电容击穿失效的防范

为了防止铝电解电容器击穿失效，应确保在设计和使用过程中遵守正确的极性连接、不超过耐压值。

4.4 开路

铝电解电容器在高温或潮热环境中长期工作时可能出现开路失效，其原因在于阳极引出箔片遭受电化学腐蚀而断裂。对于高压大容量电容器，这种失效模式较多。

在电路设计时，应考虑电容器的布局和布线，避免过长的引线和不合理的布局导致的温度升高和电参数恶化，并注意环境温度和散热条件。

4.5 炸裂

铝电解电容在工作电压中交流成分过大，或氧化膜介质有较多问题，或存在氯根、硫酸根之类有害的阴离子，以致漏电流较大时电解作用产生气体的速率较快，工作时间愈长，漏电流愈大，壳内气体愈多，温度愈高。电容器金属壳内外的气压差值将随工作电压和工作时间的增加而升高。如果密封良好，又没有任何防爆措施，则气压升高到一定程度就会引起电容器炸裂。

确保在设计和使用过程中铝电解电容尽量在电容器的工作温度范围内使用，避免高温环境。温度过高会加速电解液的挥发和电容器的老化，增加炸裂的风险。

尽可能降低纹波电流，避免因过大的纹波电流导致的发热和电参数恶化。纹波电流过大会使电容器内部发热，进而可能导致炸裂。

注意使用场景，防止机械性损伤，如挤压、撞击等，以免破坏电容器的内部结构。

四、固态铝电解电容

4.1 固态铝电解电容简介

固态电容也叫固态铝质电解电容。它与普通电容（即液态铝质电解电容）最大差别在于采用了不同的介电材料，液态铝电容介电材料为电解液，而固态电容的介电材料则为导电性高分子。高温下，这种固态高分子电介质粒子无论澎涨或是活跃性均较液态电解液低，沸点也高达摄氏350度，因此几乎没有爆裂的风险。从理论上来说，由于固态电容“无浆可爆”，几乎不可能爆浆。

20世纪90年代以来，铝电解电容采用固态导电高分子材料取代电解液作为阴极，取得了革新性发展。导电高分子材料的导电能力通常要比电解液高2～3个数量级，应用于铝电解电容可以大大降低ESR、改善温度频率特性;并且由于高分子材料的可加工性能良好，易于包封，极大地促进了铝电解电容的片式化发展。目前商品化的固态铝电解电容主要有两类：有机半导体铝电解电容(OS-CON)和聚合物导体铝电解电容(PC-CON)。

有机半导体铝电解电容

有机半导体铝电解电容的结构与液态铝电解电容相似，多采用直插立式封装方式。不同之处在于固态铝聚合物电解电容的阴极材料用固态的有机半导体浸膏替代电解液，在提高各项电气性能的同时有效解决了电解液蒸发、泄漏、易燃等难题。

固态铝聚合物贴片电容

固态铝聚合物贴片电容则是结合了铝电解电容和钽电容的特点而形成的一种独特结构。同液态铝电解电容一样，固态铝聚合物多采用贴片形式。高导电率的聚合物电极薄膜沉积在氧化铝上，作为阴极，炭和银为阴极的引出电极，这一点与固态钽电解电容结构相似。

4.2 固态铝电解电容特性

固态电容在高频环境下具有低阻抗、耐高纹波电流、使用寿命超长、高热稳定性等特点。

4.2.1 低ESR和高额定纹波电流

固态铝电解电容器具有低ESR（等效串联电阻）和高额定纹波电流，这使得它们在电路中的性能更加优越。

低ESR意味着电容在充放电时的内部电阻较小，这导致电容充放电速度更快，能量损耗更低。在高频电路中，这种特性尤为重要，因为它可以提供更好的退耦性能，减少电压尖峰，提高电路的整体稳定性。

高额定纹波电流是指电容器能够承受的纹波电流的最大值。由于固态铝电解电容器的ESR较低，它们在承受纹波电流时产生的热量较少，因此可以支持更高的纹波电流而不会过热。这一点对于电源滤波和大功率电路尤为重要，因为在这些应用中，电容器需要在不增加额外热量的情况下工作。

4.2.2 高热稳定性

固态电容能够在高温环境中保持稳定工作，不易受温度变化影响其电解质容量，即使在高热的操作环境下，亦不影响其高导电性能。其电容量在全温度范围内变化不超过15%，明显优于液态电解电容。这种高热稳定性意味着在面对温度波动时，固态电容能够保持其性能，减少了因温度变化导致的损害。

4.2.3 寿命长

工作温度直接影响到电解电容的寿命，固态电解电容与液态电解电容在不同温度环境下寿命明显较长。固态电容通常应用在工业主板及长时间运作的机器设备上，在85°C工作环境中使用寿命高达5万小时（约5.7年），而液态电容只有8,000小时（约0.9年），固态电容比一般液态电容拥有6倍长的使用寿命。

固态的电解质在高热环境下不会像液态电解质那样蒸发膨胀，甚至“爆浆”。即使电容的温度超过其耐受极限，固态电解质仅仅是熔化，这样不会引发电容金属外壳爆裂和燃烧，因而十分安全。

4.3 铝电解电容与固态铝电解电容的对比

4.3.1 优缺点对比

固态铝电解电容

优点：体积小、重量轻、寿命长、频宽高、电压高、温度特性好、失效率低、无爆炸危险。

缺点：相较于电解电容，价格更高、电容量也相对较小。

铝电解电容

优点：价格低、电容量大、适用于大电流、大容量、低频等领域的应用。

缺点：温度特性较差、容易老化、漏电，使用时需要谨慎。

4.3.2 应用领域