极低等效串联电阻铝电解电容器性能研究
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作者:范庆庆 袁伟刚 张楠 马义勋
摘 要：普通液态铝电解电容器具有成本优势，市场对更低ESR的产品有广泛的需求，通过对电解液、电解纸等主要材料的研究，采取提升电解液电导率，特殊纤维电解纸的选用，以及负极箔、胶塞的合理搭配，开发出极低ESR铝电解电容器，指标略优于日系同类产品。已广泛应用于汽车电子、充电桩、伺服驱动、通信电源、逆变器、智能三表、消费类电子等各类型电子设备控制电路中。
关键词：铝电解电容器；ESR；电解液
1 市场背景及应用前景分析
铝电解电容器是电子和电气线路中极为重要的基础电子元件之一，应用极其广泛，它在电子线路中起到了滤波、旁路、去耦等作用[1]；随着电子设备小型化、高性能化、节能化等需求的不断提高，控制线路中，低压段（一般指≤100 V）铝电解电容器在尺寸缩小的同时，使用频率不断提升，为满足使用要求，持续降低电容的等效串联电阻（ESR）是铝电解电容器一个主要的发展方向。虽然目前已有固态电容在一些中高端使用场合替代了普通液态的电解电容，考虑到普通液态铝电解电容器具有无与伦比的成本优势，开发更低ESR铝电解电容器仍有广泛的市场需求。本公司开发的极低ESR铝电解电容器目前已广泛使用在汽车电子、充电桩、伺服驱动、通信电源、逆变器、智能三表、消费类电子等各类型电子设备控制电路中。
2 现有产品与日系产品ESR指标差异
日系低ESR电容在一些高端使用场合占据主导地位，主要原因在于其具有更高的寿命与更低的ESR值，我公司原有高频低阻抗系列电容与日系有一定差距，现有产品与日系电容数据对比如表1。
3 降低产品ESR的主要途径
3.1 提升电解液电导率
电解液是铝电解电容器真正的阴极，电容器充放电过程中内部阴阳离子分别向正负极铝箔表面移动，电导率越高的电解液离子移动速度快，热损失越小，产品的ESR就越小，因此提高电解液电导率是降低产品ESR的一个主要途径[2]。格力新元原有25 V产品采用电导率为50 ms/cm的电解液，含水率为55%左右，水作为优良的溶剂，对溶质的溶解度较高，并且可以加快离子在电场中移动速度，继而提高电解液电导率，但是过多的水分如果使用不当会导致内部发生水合反应，严重者会е碌缛萜魇效。水既可以和Al2O3介质氧化膜反应又可以直接和铝反应，反应机理如下：
通常情况下，会采用磷酸及其无极化合物作为抑制水合反应的添加剂，但是随着水含量比例增加，磷酸及其无极化合物抑制水合反应效果逐渐衰减，并且考虑电解液闪火电压等性能，添加比例只能控制在1%以下。通过研究发现，我们选用一种新型有机化合物的防水合添加剂，添加含量在8%～10%时，即使70%的含水量的电解液也不会发生水合反应，所开发的电解液电导率达80 ms/cm，闪火电压达90 V以上，可满足25 V以下工作电压电容器的使用；
如图1给出的闪火电压测试曲线。
3.2 电解纸的选用
不同电解纸的选用对电容器ESR影响极大。电解纸密度越高、厚度越厚其耐压性能越好，但所做电容ESR则越大，即使相同密度和厚度，不同的纤维结构ESR也会不同，因此在保证耐压的同时，降低纸密度以及选择更优质纤维材料是电解纸开发的一个方向。低压电容器用不同电解纸性能对比如表2。
从表2中可看出MJ2电解纸在相同密度和厚度情况下，ESR值远小于SM2系列电解纸。本次研究项目中，我们选用了MJ2系列电解纸，确保了产品ESR指标的达成。
3.3 负极箔的选用
在本文所列举的市场应用中，有些应用场合对电容寿命要求较高，比如通信电源、智能三表等行业寿命要求105℃10 000 h以上，在长寿命的电容设计上，负极箔也是不能忽视的一个重要材料，在电容器长期使用过程中，负极铝箔内部杂质的存在会导致产品漏电流上升，从而影响电容器的使用寿命，常规设计电容一般选用≥98%纯度的负极箔，本次研究项目我们选用了≥99.4%的高纯负极箔，确保产品寿命指标的达成。
3.4 胶塞的选用
胶塞在电容器中主要起密封的作用，本次项目研究我们选用的电解液具有电导高、含水量高的特点，电解液的饱和蒸气压偏高，密封性能尤为重要，密封性能不好，电解液挥发速度变快，电容器容量衰减就会加速，会过早导致电容器的失效。我们选用了密封性能好的丁基胶材质的胶塞，确保电容器在寿命期内的密封性能及使用寿命。
4 新开发出产品的性能指标
结合上述的设计思路，我们制作的极低ESR电容25V470，ESR指标略优于日系同类产品。产品数据如表3所示。
电容通过了105℃，7 000小时的寿命试验，未出现水合导致的漏电流增加、外观鼓底等不良现象，高温负荷寿命数据如表4所示。
参考文献：
[1] 徐友龙.铝电解电容器技术的新进展[J].电子元件与材料，2008 ， 27（9）：5-7.
[2] 崔志武，韦春才，李和太，等.铝电解电容器[M].北京：学苑出版社， 1990.
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