2020年08月18日 | TDK课堂开课啦！一起了解铝电解电容器特性及选型注意事项

铝电解电容器是大多数电气设计的重要组成部分，故它的正确选型正是许多设计的成功关键。所以工程师必须了解铝电解电容器的工作原理，并针对具体设计正确选择最适合的电容器。

铝电解电容器不仅具有较高的单位体积电容值，而且几乎可用于任何电子系统，包括用于过滤不需要的交流频率，以及在一些应用中用于储存能量。此外，由于它提供高电容值和低阻抗，因此也常用于DC-DC变换器、逆变器和电源之中。

出于效率方面的考虑，人们一直非常关注对铝电解电容器技术的改进。通过新的制造工艺和最新材料，它们的使用寿命已获得大大提升，而且同时提高了可靠性和坚固性。总的来说，铝电解电容器可以实现很长的使用寿命—设计得宜的情况下,可以使用长达20年。

TDK提供的在线寿命工具链接如下（请复制下面的链接在电脑端打开）：

https://www.tdk-electronics.tdk.com.cn/zh/524040/design-support/designtools/alcap-useful-life-calculation-tool

所有电容器都由两层导电材料（或电极）组成，这两层导电材料则由介电材料制成的一个绝缘体隔开。这些层之间会产生一个电场，当有电流给电容器充电时，它就可以存储能量。铝电解电容器的特点是它的电极由铝箔制成, 而导电液体, 即电解液置于两个铝箔电极之间。通过电化学反应，在阳极上箔会形成氧化层（Al2O3），它在铝电解电容器中充当电介质。

图1：铝电解电容器的构造

设计和材料相结合，使得铝电解电容器具备独特的电气特性。这些特性制造出明显优势，让它成为许多应用中的理想之选(相对于其他的电容器而言) 。而且在许多情况下，铝电解电容器甚至是实际上唯一的解决方案。

首先，铝电解电容器的电容值更大（以单位体积和电压等级而言），所以具有较高的容积效率。因此，电解电容器的单位体积电容比任何其他类型的电容器都高。这是铝电解电容器最重要的一个特点。在设计得当的条件下，该特性可以在应用中提供优于其他技术的显著优势。

其次，大多数铝电解电容器的额定电压要高于其他类型的电容器。直流电压额定值为600V的铝电解电容器很容易买到，而且几乎可用于各种应用。

第三，这些电容器具有极高的储能能力，因为它们既有高电容值，又具有高额定电压。电容器中存储的能量随电容值线性增加，随电压呈指数增加。

充分了解这三个特性是为电力应用正确选择铝电解电容器的关键。在此基础上，工程师在评估铝电解电容器的设计时应考虑以下四点。

图2：铝电解电容器的构造

铝电解电容器最重要的考虑因素是具体应用对电容器使用寿命的要求。知道应用在需要维修或更换之前能够按照设计目标正常运行多长时间，这一点至关重要。

由于涉及许多复杂因素，这似乎是一项艰巨的任务，但是鉴于电子设备的可靠性，实际上是非常便于预测的。幸运的是，工程师无需咨询专家或成为专家来确定电容器的使用寿命。因为大多数可靠的电容器制造商都提供了基于网络的工具，以帮助工程师在应用的特定设计约束内计算铝电解电容器的使用寿命。

工程师应确保铝电解电容器在规定的安全电压工作范围内和额定电压下工作。这不仅可以延长电容器的使用寿命，而且还有可以使电容器免受不必要的损坏。

铝电解电容器通常要与电源配合使用，以提供高容量值。但是，铝电解电容器是有极性的，所以只能用在整流电路的直流电压应用中。

在评估铝电解电容器时，工程师不应选用额定电压远高于应用需求的电容器。因为静电电阻同样也会大幅增加。

此外，工程师应该了解应用的负载要求，包括纹波电流、环境温度和可能的浪涌电压等。这样有助于延长应用的整体使用寿命。

虽然许多铝电解电容器可以承受偶尔发生的短期浪涌和反向电压或者极性相反的电压，但是不建议用在持续的电涌或持续的超额定值的反向电压条件下。过压、反向电压和瞬态浪涌都可能会损坏电容。工程师应适当使用二极管防止出现反向电压，而且购买的电容器能始终满足指定的应用设计要求。

图3：电源电路示例

流过电容器的交流电会使其温度升高。这种电流被称为纹波电流，而自发热会导致功率损耗。所以，应用环境温度就成为选择铝电解电容器的一个关键因素。

铝电解电容器的冷却措施和表面积决定了它在应用中的热阻或散热量。散热还会受到接触元件纹波电流的限制。

铝电解电容器的纹波电流额定值通常在上限规格温度下指定。不仅应用环境温度是重要因素，交流信号的频率、热阻和等效串联电阻也都很重要。

图4：带散热器的铝电解电容器

等效串联电阻

在使用铝电解电容器的电源应用中，最大的担忧之一是等效串联电阻 - 它是等效串联电路的阻性元件。交流电流纹波在通过电容器中的等效串联电阻时会发生功率耗散。更高频率的纹波电流会导致等效串联电阻增加。等效串联电阻越大，电容器内部耗散的功率就越多，这意味着温度会随热量散发而升高。

但是，工程师无需指定具有最低等效串联电阻的铝电解电容器。相反，他们应该指定一个等效串联电阻能够满足此应用下纹波电流条件的电容器。

对于设计工程师来说，在准备选择用于任何应用的铝电解电容器时，充分了解铝电解电容器的电容值、额定电压和储能能力是非常重要。在为电力应用选择铝电解电容器时，同样重要的注意事项还包括铝电解电容器的使用寿命、额定电压、散热特性和等效串联电阻等。

通过了解这些特性和注意事项，工程师可以满怀信心地为其应用选择最佳的铝电解电容器。