电解和聚合物混合电容器有许多优点，但寿命有限，必须通过寿命计算来确定
 
作者：Sven Jimenez Rodriguez，电容器产品销售经理；Christian Kasper，技术支持，Rutronik
 
电解和聚合物混合电容器的设计几乎相同：它们由阴极侧和阳极侧组成，而阳极侧又由铝膜制成。阳极膜经过氧化处理，形成氧化铝层，形成电介质。这两种薄膜都用分隔纸卷起，形成卷绕元件（图1、图2）。
 
 

图1：电解电容器基本上由阳极和阴极膜、分隔纸和电解质组成
 

图2：电解电容器和聚合物电容器的基本设计
 
这两种电容器的不同之处在于填充过程中使用的材料，这也是它们的名字：电解电容器填充电解质，而聚合物混合电容器使用聚合电解质或固体和液体聚合物的组合。
 
这两种类型都有许多优点，例如体积小但电容值高，成本低，并且可用于各种设计，例如SMD、THT或snap-in。
与电解电容器相比，聚合物混合电容器在低温下具有更高的纹波电流容量和更低的内阻，在高频下具有更稳定的电容。
这两种技术的缺点在于其使用寿命有限。在操作过程中，电解质或液体聚合物收缩（图3）。
 

图3：电解液或液体聚合物在运行过程中扩散，导致电容器寿命有限。Arrhenius方程提供了电容器寿命的粗略估计。
 
是什么限制了寿命？
影响电解和聚合物混合电容器寿命的最大因素是电容器的核心温度。它随着环境温度和外加纹波电流的增加而增加。此外，由于过度纹波电流而产生的机械应力也会损坏氧化层，并由于自愈作用而导致电解液的额外消耗。自愈合是电解和聚合物混合电容器通过电解液和铝之间的化学反应恢复氧化层的能力。电解液收缩还会导致电气参数恶化，例如电容、等效串联电阻（ESR）和损耗因数。
 
寿命终止通常指数据表参数（通常为电容损耗和损耗因数百分比增加）不足的情况。
当选择不低于最终产品目标运行期间电气参数的电容器时，可以使用Arrhenius进行初步评估。如图4所示，作为扩散系数函数的寿命在很大程度上类似于Arrhenius方程。因此，根据经验，也可以做出以下陈述：工作温度降低50°F（10℃）会使寿命加倍。
 

图4：Arrhenius方程和经验法则表明，在工作温度每降低50°F（10℃）时，电容器寿命会加倍，两者提供了几乎相同的结果
 
Arrhenius方程只提供了一个粗略的指导值，因为它没有考虑波纹电流对自加热的显著影响。
 
电容器供应商的支持
为了获得准确的寿命计算，建议与相应的电容器供应商合作。此计算需要客户提供任务概要。它详细说明了相关温度范围内的实际工作小时数。
 

图5：任务概要示例显示了供应商需要哪些参数来进行准确的寿命计算
 
每个供应商对其自己的产品使用单独的计算，包括温度分布和纹波电流负载。因此，供应商可以使用客户提供的任务概要文件进行详细的寿命计算。
使用任务概要文件，供应商可以评估和推荐相应应用的电容器。这还可以防止使用过定义的电容器，从而降低成本。
 
冷却可确保更长的使用寿命
增加表面积的散热器是改善散热从而延长电容器寿命的好方法。例如，通过使用风扇或水进行主动冷却，可以确保更好的散热。在验证部件时，也可以考虑此类冷却概念，并将其计算到寿命计算中。
冷却元件与电容器的连接也起着关键作用。
将冷却元件直接连接到组件通常比将其直接放置在电路板的另一侧更有效。此外，还必须考虑电容器的外围单元，因为电容器通过其引脚辐射和吸收热量。如果附近有功率半导体或其他发热部件，尤其如此。如果温度、电流、电压和频率等经验数据可用，则该热输入也可以包含在寿命计算中。
如果你使用导热膏或热垫，它们的热阻是决定性的。温度越低，散热效率越高。如果冷却元件需要进行电气隔离，则应选择绝缘热膏或合适的衬垫。
如果客户希望自己进行计算或模拟，可以从供应商处获得从铁芯（绕组元件）到电容器腿和封装的热阻模型。
如果完全了解从电容或PCB到冷却元件的热状况和热阻，则可以推断出额外的散热或供电。一旦验证了可能的散热，供应商可允许布局具有更高的纹波电流，但前提是未超过供应商规定的最大纹波电流，因为这将导致电容器上产生机械负载。
 

图6：电容器的热等效电路图
 
结论
建议使用Arrhenius方程来确定选择电容器时的初始指导值。使用任务概要可以准确计算应用中选定电容器的寿命，还考虑了纹波电流引起的自热水平。为了最大限度地延长电容器寿命，有必要研究可能的冷却概念，并让供应商或分销商参与开发过程。
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