極低等效串聯電阻鋁電解電容器性能研究

1   市場背景及應用前景分析

鋁電解電容器是電子和電氣線路中極為重要的基礎電子元件之一，應用極其廣泛，它在電子線路中起到了濾波、旁路、去耦等作用^[1]；隨著電子設備小型化、高性能化、節能化等需求的不斷提高，控制線路中，低壓段（一般指≤ 100 V）鋁電解電容器在尺寸縮小的同時，使用頻率不斷提升，為滿足使用要求，持續降低電容的等效串聯電阻（ESR）是鋁電解電容器一個主要的發展方向。雖然目前已有固態電容在一些中高端使用場合替代了普通液態的電解電容，考慮到普通液態鋁電解電容器具有無與倫比的成本優勢，開發更低ESR 鋁電解電容器仍有廣泛的市場需求。本公司開發的極低ESR 鋁電解電容器目前已廣泛使用在汽車電子、充電樁、伺服驅動、通信電源、逆變器、智能三表、消費類電子等各類型電子設備控制電路中。

2   現有產品與日系產品

ESR指標差異日系低ESR 電容在一些高端使用場合占據主導地位，主要原因在于其具有更高的壽命與更低的ESR 值，我公司原有高頻低阻抗系列電容與日系有一定差距，現有產品與日系電容數據對比如表1。

3   降低產品ESR的主要途徑

3.1 提升電解液電導率

電解液是鋁電解電容器真正的陰極，電容器充放電過程中內部陰陽離子分別向正負極鋁箔表面移動，電導率越高的電解液離子移動速度快，熱損失越小，產品的ESR就越小，因此提高電解液電導率是降低產品ESR的一個主要途徑^[2]。格力新元原有25 V 產品采用電導率為50 ms/cm 的電解液，含水率為55% 左右，水作為優良的溶劑，對溶質的溶解度較高，并且可以加快離子在電場中移動速度，繼而提高電解液電導率，但是過多的水分如果使用不當會導致內部發生水合反應，嚴重者會導致電容器失效。水既可以和Al₂O₃介質氧化膜反應又可以直接和鋁反應，反應機理如下：

通常情況下，會采用磷酸及其無極化合物作為抑制水合反應的添加劑，但是隨著水含量比例增加，磷酸及其無極化合物抑制水合反應效果逐漸衰減，并且考慮電解液閃火電壓等性能，添加比例只能控制在1% 以下。通過研究發現，我們選用一種新型有機化合物的防水合添加劑，添加含量在8%~10% 時，即使70% 的含水量的電解液也不會發生水合反應，所開發的電解液電導率達80 ms/cm，閃火電壓達90 V 以上，可滿足25 V 以下工作電壓電容器的使用；

如圖1 給出的閃火電壓測試曲線。

3.2 電解紙的選用

不同電解紙的選用對電容器ESR 影響極大。電解紙密度越高、厚度越厚其耐壓性能越好，但所做電容ESR則越大，即使相同密度和厚度，不同的纖維結構ESR也會不同，因此在保證耐壓的同時，降低紙密度以及選擇更優質纖維材料是電解紙開發的一個方向。低壓電容器用不同電解紙性能對比如表2。

從上表中可看出MJ2 電解紙在相同密度和厚度情況下，ESR 值遠小于SM2 系列電解紙。本次研究項目中，我們選用了MJ2 系列電解紙，確保了產品ESR 指標的達成。

3.3 負極箔的選用

在本文所列舉的市場應用中，有些應用場合對電容壽命要求較高，比如通信電源、智能三表等行業壽命要求105℃ 10 000 h 以上，在長壽命的電容設計上，負極箔也是不能忽視的一個重要材料，在電容器長期使用過程中，負極鋁箔內部雜質的存在會導致產品漏電流上升，從而影響電容器的使用壽命，常規設計電容一般選用≥ 98% 純度的負極箔，本次研究項目我們選用了≥ 99.4% 的高純負極箔，確保產品壽命指標的達成。

3.4 膠塞的選用

膠塞在電容器中主要起密封的作用，本次項目研究我們選用的電解液具有電導高、含水量高的特點，電解液的飽和蒸氣壓偏高，密封性能尤為重要，密封性能不好，電解液揮發速度變快，電容器容量衰減就會加速，會過早導致電容器的失效。我們選用了密封性能好的丁基膠材質的膠塞，確保電容器在壽命期內的密封性能及使用壽命。

4   新開發出產品的性能指標

結合上述的設計思路，我們制作的極低ESR 電容25V470，ESR 指標略優于日系同類產品。產品數據如表3 所示。

電容通過了105℃，7 000 小時的壽命試驗，未出現水合導致的漏電流增加、外觀鼓底等不良現象，高溫負荷壽命數據如表4 所示。

參考文獻：

[1] 徐友龍.鋁電解電容器技術的新進展[J].電子元件與材料,2008 ,27(9):5-7.

[2] 崔志武,韋春才,李和太,等.鋁電解電容器[M].北京:學苑出版社,1990.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年2月期）