鋁電解電容器

電容器是與電阻、線圈并存的三大被動元器件之一，是可反復進行充電(電荷的蓄積)和放電的元器件。在被動電子元器件的產品種類構成中，電容器占比超半數份額，達 66%左右，三分天下占地兩分。其中，鋁電解電容市場占比達 34%，本文將從電容器件的淺談，引出主角-鋁電解電容器。

電容器實質為將電介質平行地夾在金屬板(電極)之間而構成。如果向金屬板(電極)間施加直流電壓， 就可將電荷蓄積起來。這就是電容器的蓄電原理。被蓄積起來的電荷量叫做靜電電容，靜電電容C由絕緣體的介電常數ε、電極的表面積S、絕緣體的厚度d來決定。可通過增大絕緣體的介電常數ε，增大電極的表面積S，減薄絕緣體的厚度d來增大靜電電容C。

電容器是與電阻、線圈并存的三大被動元器件之一，是可反復進行充電(電荷的蓄積)和放電的元器件。在被動電子元器件的產品種類構成中，電容器占比超半數份額，達 66%左右，三分天下占地兩分。其中，鋁電解電容市場占比達 34%，本文將從電容器件的淺談，引出主角-鋁電解電容器。

電容器實質為將電介質平行地夾在金屬板(電極)之間而構成。如果向金屬板(電極)間施加直流電壓，就可將電荷蓄積起來。這就是電容器的蓄電原理。被蓄積起來的電荷量叫做靜電電容，靜電電容C由絕緣體的介電常數ε、電極的表面積S、絕緣體的厚度d來決定。可通過增大絕緣體的介電常數ε，增大電極的表面積S，減薄絕緣體的厚度d來增大靜電電容C。

如前所述，電容器具有以下特性，即①能夠在瞬時進行充電和放電；②直流不會通過，但交流則會通過；③頻率越高交流就越容易通過。故可以應用于以下放電電路（瞬時性）、平滑電路和耦合電路（阻直通交）、去耦電路（通高頻）中。如前所述，電容器具有以下特性，即①能夠在瞬時進行充電和放電；②直流不會通過，但交流則會通過；③頻率越高交流就越容易通過。故可以應用于以下放電電路（瞬時性）、平滑電路和耦合電路（阻直通交）、去耦電路（通高頻）中。

圖1

電容器根據所使用的材料和結構等有許許多多的種類。此外，特性種類而有所差異，設計時根據這些特點來選擇。主要的電容器有固定電容器、可變電容器。其中固定電容器包含極性（主要是電解電容器、電氣雙層電容器）和非極性（陶瓷、薄膜電容器）。本文將主要以電解電容器中應用較為廣泛的鋁電解電容器為主。

鋁電解電容器一般采用如圖2所示的結構，在陽極的鋁箔表面形成作為電介質的鋁氧化被膜，電解質(陰極)使用電解液，也起到修補氧化膜介質的作用。通過對鋁箔的表面進行蝕刻來形成凹凸以增大電極表面積(S)，再在極薄狀態下形成氧化被膜的厚度(d)而實現的，故而電容較大。電解電容的高容量也是犧牲了很多其它的特性換來的，比如具有較大的漏電流、較大的ESR、ESL，容值誤差較大、壽命短等。電解電容器的一些性質主要取決于氧化膜和電解液，故其雖具有極性，但在結構和工藝上采取措施后，也可制造出無極性的或用于交流的電解電容器。

圖2

根據使用方法和外觀等，作為電解電容領導者的臺灣至美電器將鋁電解電容器分為導電性高分子固態鋁電解電容器、表面黏著型鋁電解電容器、螺栓式鋁電解電容器、直立式/臥式鋁電解電容器、大型鋁解電容器（圖4）。如圖3所示為其中兩種的結構剖面圖。

圖3

圖4

根據組成電解電容可等效為如圖 5 所示的電路。其中，R1:電極和引出端子的電阻；R2:陽極氧化膜和電解質的電阻；R3:損壞的陽極氧化膜的絕緣電阻；D1:具有單向導電性的陽極氧化膜；C1:陽極箔的容量；C2:陰極箔的容量；L :電極及引線端子引起的等效電感。這些小參數和結構決定了電解電容的總體參數。

圖5

在選用電解電容時，要主要考慮以下幾個總體參數：溫度系數、 額定工作電壓、絕緣電阻、損耗、頻率特性。溫度系數主要考慮到電解電容受熱影響大，故而在使用時需要盡 量避開熱源如大功率管、變壓器等。（電解電容器的耐溫性能很差， 如果工作電壓超過允許值，介質損耗將增大，很容易導致溫升過高， 最終導致損壞。）

額定工作電壓與電容器的結構、介質材料和介質的厚度有關。超 過額定工作電壓，電解電容內部電解質極化，引起漏電流大大增加， 于是介質的絕緣性能遭到破壞，使兩個極板短接（介質擊穿），完全 喪失電容的作用，電容器被毀壞。（電容器的額定工作電壓應高于實 際工作電壓，并留有足夠余量，以防因電壓波動而導致損壞。一般而言，應使工作電壓低于電容器的額定工作電壓的 10%~20%。在某些 電路中，電壓波動幅度較大，可留有更大的余量。）

電解電容器的絕緣電阻一般較小。電容器漏電的大小用絕緣電阻 來衡量。電容器漏電越小越好，也就是絕緣電阻越大越好。損耗是在電場作用下，電容器單位時間內發熱而消耗的能量。頻率特性通常是指電容器的電參數（如電容量、損耗角正切值等）隨電場頻率而變化的性質。在高頻下工作的電容器，由于介電常數在高頻時比低頻時小，因此電容量將相應地減小。與此同時，它的損耗將隨頻率的升高而增加。

這些參數決定了電容選取是否得到，應用是否合規。一旦操作出現問題，一些故障模式便出現了。電解電容產生選用不當或長時間工作或工作環境惡劣易出現如圖5的問題，出現問題是可能是使用原因，對于采用了非正規廠家制造的產品時還會出現制造問題帶來的原罪。

圖6

在應用時，考慮前文的參數，也需要明確鋁電解電容器的優缺點，更要明確在使用不當時帶來的后果，從而謹慎選擇電容器。如圖5長時間使用、過高的紋波電流、急速充放電、施加AC電壓等都會帶來惡劣的影響。比如允許的最大紋波電流，如果鋁電解電容器受到過度的紋波電流的影響，電解液將會由于不正常的自加熱溫度而迅速干燥，從而縮短了壽命。這種電容器可能會由于產生氣體的內部壓力而爆裂。所以，應用得當很重要。

雖然運用不當會有一定的威脅，然而，鋁電解電容具有的優點也是不可忽略的。相比電路板上應用更廣泛的陶瓷、薄膜電容器，鋁電解電容器的電容值更大（以單位體積和電壓等級而言），所以具有較高的容積效率。因此，電解電容器的單位體積電容比任何其他類型的電容器都高。其次，大多數鋁電解電容器的額定電壓要高于其他類型的電容器。又有，這些電容器具有極高的儲能能力，因為它們既有高電容值，又具有高額定電壓。電容器中存儲的能量隨電容值線性增加，隨電壓呈指數增加。

這些優點，使得在開關電源中電解電容應用廣泛。同時，前文提到的具有較大的漏電流、較大的等效串聯電感和電阻、容值誤差較大、壽命短、怕熱等缺點也是應用時必須考慮到的。鋁電解電容器不僅具有較高的單位體積電容值，而且幾乎可用于任何電子系統，包括用于過濾不需要的交流頻率，以及在一些應用中用于儲存能量。此外，由于它提供高電容值和低阻抗，因此也常用于DC-DC變換器、逆變器和電源之中。

一般在電路中用于低頻耦合、旁路去耦等，電氣性能要求不嚴格時可以采用電解電容器。低頻放大器的耦合電容器，選用1-22μF的電解電容器。旁路電容器根據電路工作頻率來選，如在低頻電路中，發射極旁路電容選用電解電容器。在電源濾波和退耦電路中，可選用電解電容器。因為在這些場合中對電容器的要求不高，只要體積允許、容量足夠就可以。此外，將兩個同樣的電解電容背靠背封裝在一起，可以作為無極性電解電容，損耗大、可靠性低、耐壓低，只能用于少數要求不高的場合?。

全球鋁電解電容器應用領域的用量比例為消費性電子產品占45%，工業占23%，資訊13%，通信7%，汽車5%，其他7%。監視器、CD音響、電視機、電源供應器及主機板產品是鋁電解電容器最典型的應用。隨著電子設備的小型化，越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電解電容器今后的發展方向。

臺灣至美是最早開發50V~160V固態電容，最早開發大尺寸8x21、10x21mm固態電容的廠商。在電源方面有臺積電、科風、Vicor這樣的客戶；在工業電腦方面有研華、新漢；在消費電子有英偉達；在汽車電子有比亞迪、長安等客戶；市場經驗豐富。為加強客戶合作，至美建立了電子應用實驗室，模擬客戶產品應用場景，預判失效模式，為提升產品品質做出極大努力，良率高達98%；在生產方面做到了自動化產線，臥式電解電容器是全球唯一的全自動化生產商；可做到150℃的高溫產品，250wv的高壓產品，3300uF的大容量產品。

全新推出的導電高分子固態鋁電解電容器，可達到160V額定電壓，突破性地做到了小尺寸高容量，且在125℃時仍可穩定工作。至美電解電容，品質穩定，技術前沿。

fqj