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  电力电子用大容量铝电解电容器最新动态           
电力电子用大容量铝电解电容器最新动态
作者:佚名 文章来源:不详 更新时间:2007-1-17 20:13:11

电力电子用大容量铝电解电容器最新动态


摘 要 随着电力电子技术和计算机技术的发展,各种电力变换、交流传动、储能、节能、雷达、激光、应急后备电源以及大功率的家用电器上对高压大容量铝电解电容器的需求将不断增加,而目前国产铝电解电容器无论是性能、质量、可靠性、还是在品种上都无法满足配套要求。本文参考国外有关资料,对高压大容量铝电解电容器的性能、现状及今后发展动向作简单介绍,并期待着国产高压大容量铝电解电容器技术能尽快缩短与国外先进国家的差距。

1 电力电子用铝电解电容器的性能和特征
以前,铝电解电容器主要用于收音机、电视机、录像机等以音响、映像为主的弱电领域,似乎与以强电为代表的产业用电气装置无缘。
然而,到了70年代,以可控硅整流器为首的半导体元件迅速普及、铝电解电容器在家用电器、工业设备、电车、电力变换装置等各个领域得了广泛应用。出现了称之为“电力电子”的新的技术领域。由于铝电解电容器本身所具有的特征决定了它已成为电力电子变频装置上不可缺少的主要部件之一。
1.1 宽广的电压范围和容量范围
图1所示的是电子装置上使用的具有代表性的各类电容器的额定电压范围和静电容量范围的关系图。图中可以看出能在50V以上保持数百微法的静电容量只有铝电解电容器。这种具有宽的电压范围和大的静电容量范围的特点是变频电源滤波器用电容器的必要条件。


图1 电容器容量和电压范围

电容器的静电容量(C)用C=εS/t表示(ε:介电常数,S:电极面积,t:介质厚度)铝电解电容器中把铝箔分成两个电极,对一层电极箔(阳极)表面进行电化学处理(即赋能),生成的氧化膜作为电容器介质,电解电容器的阴极不是金属,而是电解质(它是液体,半液体式固体)。为了使非金属的电解质与电源负极相接,电解电容器中的另一电极箔与电解质相接触,起引出阴极的作用。因此铝电解电容器的最大特点就是其介质厚度非常薄,并且介质厚度能通过工艺进行控制。介质厚度与耐电压比例为:1V相当于14~15A°,如100V耐压的介质厚度不超过0.15μm。另外通过腐蚀工艺能扩大电极有效表面面积S(见图2),再加上采用卷绕型结构后容易控制使用面积,所以无论电压范围还是容量范围都是其它电容器无法相比的。


图2 阳极箔的几何面积与有效面积

1.2 大容量,小型化
扩大电极有效表面面积S的工序称为腐蚀,这是铝电解电容器小型化、低成本化不可缺少的重要技术。如图3a是100V以下低压用腐蚀箔的剖面,其腐蚀倍率可达80~100倍。由于介质氧化膜极薄,其极板表面有无穷无尽的凹凸形状(海绵状)使得表面面积得到扩大。


图3 腐蚀箔箔断面

如图3b是160~550V中高压用的腐蚀箔剖面,图4是腐蚀箔的微观结构示意图,在垂直方向分布着比较均匀的遂道形园孔,这种腐蚀倍率约为30~40倍,与低压用腐蚀箔相比其表面积扩大率下降。如果在低压用腐蚀箔上生成耐高压介质的话,由于腐蚀孔入口狭窄且较深,如其内侧生成承受高压的介质厚度,会导致孔被堵塞,深孔内就不能有效地工作。另外,腐蚀孔形状和孔的大小可以用铝原箔的结晶排列和腐蚀工艺(腐蚀液配方、施加电压、时间等)来控制。铝电解电容器的小型化、大容量化主要取决于提高腐蚀倍率的技术,我们期待着这一技术今后能不断发展。值得一提的是将铝电解电容器单位体积的静电容量(μF/V)与其它电容器作比较的话,低压25V等级的铝电解是钽电解的3~4倍,高压400V等级的铝电解是薄膜电容器的30~40倍。


图4 高压腐蚀箔的微观结构示意图

1.3 良好的经济性与不足之处
铝电解电容器是以自然界丰富的铝材为原材料,由于其体积小、容量大、单位电容量的价格与其它电容器相比、具有独特的优势。但它也有不足之处,特别是用于电力电子变频器时,必须注意以下事项:
(1)静电容量,损耗(等效串联阻抗ESR、tgδ)随温度、频率变化很大。例如在40℃120Hz条件下,最大允许纹波电流为10A,而在85℃时,则允许为3.7A。
(2)使用寿命有限,一般产品保证寿命分为1000h、2000h和5000h,但是在高温下,寿命将明显减少(温度上升10℃寿命减半)。因为ESR较大,允许纹波电流较小,会因纹波电流发热引起温度上升,使寿命降低。
(3)在高纹波电流环境使用时,寿命后期的故障形式为防爆阀动作,此时,会出现高温的电解液蒸气喷出、漏电、冒烟及罕见的燃烧等现象,有可能发生二次危害。
(4)使用较多的可燃性材料,如橡胶性封口材料、电解液、隔离纸、热可塑性树脂的芯子固定材料等。
(5)不宜于长期储存,如长时间未工作(差的电容器只有6个月)使用前进行重新赋能,修补氧化层介质。
(6)容量精度难以控制,偏差较大,一般都在±20%以上。
正因为上述原因,在使用铝电解电容器时,最主要是事先认真作好验证,看其能否满足使用目的和要求。

2 国内外高压铝电解电容器性能对比
2.1 产品温度对比:国产电容器说明书未见105℃产品,日本、台湾、意大利均有105℃产品,另外德国F&T还有125℃的产品。
2.2 产品体积对比:以1500μF电容器为例,其体积对比见表1。

表1 国内外高压铝电解电容器体积对比

国产意大利日本台湾德国 体积(mm)φ50×120φ64×105φ51×100φ51×90φ50×100 温度(℃)85 858585 电压(V)450450420400450
2.3 产品使用寿命对比:日本产品分别有2000h、5000h、甚至20000h的质量保证,而国产电容器大都在1000~2000h之间。
2.4 产品存放寿命:国产电容器存放时间差的超过6个月后,使用前就需要重新赋能老练,国外产品的存放期可超过1年,甚至2~3年以上。
2.5 产品稳定性:国产电容器的性能稳定性不如国外,特别是在绝缘电阻、耐纹波电流、容量下降等方面不如国外产品。
2.6 损耗值(%)对比:(据说明书介绍)
德国F&T 20℃ 120Hz时≤0.10
日本NICHICON25℃100Hz时≤0.15
台湾JAMICON25℃120Hz时≤0.20
国产某产品20℃120Hz时≤0.25
3 铝电解电容器的技术课题
3.1 铝电解电容器的公共课题
表2所示的是与铝电解电容器性能要求和关键技术之间的关系,不论何种用途、小型化、低损耗(低ESR化)长寿命化都是铝电解电容器共同的课题,并且是一个永久的课题。最近,安全性和环境保护已引起人们重视,可以说作为基本材料的电极箔和电解液是决定铝电解电容器性能及可靠性的两大因素。尤其是用于电力电子方面铝电解电容器必须小型化、大容量化,其电极箔腐蚀技术将起关键作用。预测一下今后比容率提高的可能性与理论推测值作对比的话,如图5,随着电压的增加实际值与理论值的差值将逐渐缩小。


图5 电极腐蚀倍率

表2 铝电解电容器的技术课题和技术要素

影响物质要素
性能
技术
要求
小 型 化

低 损 耗

高 载 波高温长寿命不冒烟不燃烧对环境影响 耐热稳定性抑制蒸发抑制气体产生耐电腐蚀性 电极箔腐蚀技术● ○ ○ 化成膜改良 ○●○○● 阴极箔改良 ○○ ○ 电极液低比电阻化 ●● ○ 化学稳定性 ●○●○ 提高耐热性 ○●○○ 改善挥发性 ○● 阻 燃 性 ●○ 提高耐蚀性 ● 零件材料密封材料 ○● ○ 电 解 质○○○ 其 它 ○● 设计生产提高比容率● 提高密封性 ○● ○

注 ●:影响较大. ○:有影响

由此可见,对于高电压产品根据目前的结构、规格、额定电压、额定容量,要实现小型化、大容量化是十分困难的。换句话说,必须开发出另一种新技术,才能实现小型化、大容量化。另一方面,电解液与低损耗化、长寿命化、纹波发热降低有着很大关系,同时,与冒烟、燃烧等安全性能有关系,因此,电解液的高电导率化、阻燃化的技术已成为重要课题。
3.2 电力电子用铝电解电容器的技术课题基本内容已包括在上述铝电解电容器公共课题里,但需要着重强调本课题内容的是如图6所示


图6 电力电子用铝电解电容器的技术课题

[电力电子]=[高能量,低能耗,高可靠,高安全]都是绝对必要条件。
在此背景下,所有已实用化的有变频空调器等家用电器、电梯、电气列车、机床、计算机系统等,不远的将来预计将应用到太阳能发电系统、电动汽车等输出功率大的变频电源,其滤波用电容器容量值也大,所以,容量值要满足电压平滑的滤波机能,往往会选择略高于所需容量的电容器,这是以承受负荷纹波电流为基准,来决定容量值的。换句话说,允许纹波电流大的话,电容器的容量值就可选得小些,由于功率损耗、发热、温度上升,允许纹波电流限制了上限温度。所以,若能找到降低温度上升的对策,无疑能够流过更大的纹波电流。耐高纹波电流对产品长寿命,小型化,低成本的贡献会产生巨大效果。
另外,在高纹波电流环境下使用的铝电解电容器其寿命后期故障的防爆机械结构如图7所示,过程为温度上升—内压上升—防爆阀动作,寿命终止。防爆阀动作时高温的电解液如同蒸气状喷出、冒烟,由于电解液具有导电性和可燃性,与导电部接触会引起漏电或者燃烧的危险,安全上处于不理想状态。

在高纹波电流环境下的寿命劣化

图7 电力电子用大容量铝电解电容器的故障模型

因此,在整机设计阶段应准确计算预计寿命及安全系数,使选定的电容器寿命能充分满足整机的期待寿命。但实际上直到寿命终止的事例几乎没出现过,换句话说,寿命末期的安全对策可靠的话,就可以不考虑过剩寿命时间,结构安全化即可节省资源也可省成本。总之,耐纹波电流和安全性是电力电子用铝电解电容器的关键。

4 最新电力电子用电容器
4.1 带散热风叶的耐高纹波电容器
以前,作为耐纹波的对策是解决电解液低电阻率和改进芯子结构,采取降低ESR的方法。如今,国外开发出带散热风叶的结构形式,如图8所示,是一种用导热管作为电容器卷心,并与外部散热风叶直接连接的强制冷却型电容器。目前大容量、大尺寸电容器由于中心部自身温度很高,限制了纹波电流的能力,无论怎么从外部吹风,由于高纹波电流使电容器内部发热仍很高,心子中心部与外壳表面温差可达2倍。

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