工業鋁電解電容器如何選型？

21ic電子網 2020-11-14 00:00

高性能SGT MOS產品，保障BMS高效可靠運行 需要最新微控制器編程規范與調試指南？

出品 21ic中國電子網付斌

網站：21ic.com

蒸汽機的問世，標志著世界開啟了工業革命；大規模流水線的正式運行，標志著電力開始應用，成為了第二次工業革命；第一臺可編程控制器（PLC）的成功研發，標志著生產進入自動化時代，成為了第三次工業革命；而現今機器換人的概念被提出，得益于IoT、機器間通信和信息物理融合系統的發展，催生著工業的第四次革命，即工業4.0。

所謂工業4.0，依托的是工業物聯網、云計算、大數據、機器人、3D打印、知識工作自動化、網絡安全、虛擬現實、人工智能九大支柱。然而，新技術的使用和算力的急速攀升的結果，便是整體方案逐漸靠攏集成化、小型化、可靠性。另一方面，小型化的需求下，很多設備更加偏向采用自然風冷，這便對于高耐熱提出一定的需求。

對于半導體行業來說，這不僅催生著集成電路的進一步進化，也促進了上游元器件的發展。電容、電阻、電感被冠以“三大被動元件”，叱咤電子圈，是最常用的電子元件之一。其中，電容約占電子元件用量的40%，是用途最廣泛、用量最大的一種被動元件。不可忽視的是，工業場景中的能源供給和信息通訊都非常依賴電容器，在工業場景中大量用于電源模塊、不間斷電源、通信模塊上。

10月20日-23日CEATEC 2020 Online期間，尼吉康（nichicon）開發并擴展了其鋁電解電容器旗下產品，并擴充了其在去年發布的小型鋰離子可充電電池“SLB”系列，以下記者將從技術方面分析最新產品所應對的場景。

工業的變革與鋁電解電容

電容為何成為“電容、電阻、電感三小強”中用量最大的被動元件？數據顯示，僅僅手機中的電容的用量就達到了1000-1100顆，而平均每臺電動車需要用到1.7萬顆到1.8萬顆。如此巨大的用量，要歸功于電容的自身的“通交阻直”和“充放電”的特性，由此衍生出隔直流、旁路（去耦）、耦合、濾波、溫度補償、計時、調諧、整流、儲能、平滑電壓等功用。

根據電容器的制造材料不同，具體可以分為：陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電容器、薄膜電容器主要四類電容。其中陶瓷電容多用于增速飛快的消費電子和汽車電子中，并且MLCC缺貨漲價的新聞頻發而被人熟知。

事實上，鋁電解電容和薄膜電容在市場的用量一直非常穩定，其中鋁電解電容占整個電容器市場的33%。另據中國電子元器件行業協會的數據，全球鋁電解電容市場整體規模近年來保持每年4%左右的增長。究其原因，主要在于鋁電解電容容量大、價格優，可在開關電源、整流模塊、通信設備和汽車中大量使用。

上文也有提及，工業4.0時代即將到來，實現“機器換人”不僅帶來大量的數據處理，也帶來了大量的無線連接。數據處理需要擴建更多需要不間斷電源（UPS）的數據中心，無線連接需要給設備都裝上無線模塊，這便直接推動了鋁電解電容用量的增長。值得一提的是，由于我國正在大力推行5G網絡建設和“新基建”，在制造通信系統時候會大量用到鋁電解電容，因此目前對于鋁電解電容的需求量極大。

鋁電解電容的構造與發展

鋁電解電容器是以陽極高純度鋁箔表面上形成的氧化膜為電介質，再由陰極鋁箔、電解液、電容器紙（電解紙）構成。氧化膜是通過電解氧化（化成）形成，非常薄，具有整流特性。此外，通過對高純度鋁箔進行腐蝕來擴大有效表面積，獲得小型化大容量的電容器。

鋁電解電容根據電解質形態不同可以分為液態鋁電解電容和固態鋁電解電容，前者擁有更好的成本優勢，后者則擁有更強的穩定性和長壽命。根據引出方式不同分為引線式、焊針式、焊片式、螺栓式和貼片式。

從性能上來講，固態鋁電解電容遠超于液態鋁電解電容，一顆固體鋁電解電容可以替代2-3顆液態鋁電解電容；從工藝上來講，液態鋁電解電容在高溫可能會導致電解液沸騰蒸發，低溫會導致電解液凝固，并且有漏液的風險。因此，行業普遍認為固態鋁電解電容是未來的趨勢。

工業4.0時代，除了在用量上的考驗，在對整機的不斷集成化、小型化、超薄化的背景下，也催生著上游元件的轉型。以鋁電解電容用量較大的電源管理來說，在5-10年的發展趨勢是高功率密度、低EMI、低靜態電流、低噪聲高精度、更好的隔離性能，這幾項參數指向的便是更好的穩定性和更高的集成度，直接推動了鋁電解電容朝向小型化/超薄化、固體化、大容量化發展。

值得注意的是，電源模塊、不間斷電源、通信設備對于穩定性的要求遠遠高于其他領域。特別是24小時不間斷工作的工廠，在既有的穩定性下擁有更長的壽命，可以大大減少工業維修的時間和成本。

不過，尼吉康在鋁電解電容方面則是分為三種：鋁電解電容器（電解液）、導電高分子鋁電解電容器（固態）、混合鋁電解電容器。所謂混合鋁電解電容即為兩者的固液混合，即高容量、低漏損電流特性的“電解液與高紋波電流、低ESR、低溫特性的“導電性高分子”的組合。

在尼吉康看來，混合鋁電解電容器和液態鋁電解電容器相比，在高頻率領域的ESR性能優異，對于溫度變化具有穩定的ESR性能。再者，因內部含有電解液，具有氧化膜修復功能，能維持穩定的電氣性能。

21ic家認為，固態鋁電解電容固然擁有很好的壽命和低ESR，但由于成本的限制，混合鋁電解電容是過渡和補全產品線的一個好選項，特別是在對可靠性要求越來越高的現如今。需要引起大家需要重視的是，固態電解電容器也并非“萬能的”，在技術上仍然有許多進步空間，因此混合鋁電解電容可謂是1+1＞2，充分發揮了二者的優異性能。

工業鋁電解電容的選型

鋁電解電容器和其他電容一樣，在工業選型中也擁有很多參數需要考慮，特別是在工業4.0的大背景下，更好的參數才足以勝任高強度的不間斷運行。

在電子元器件市場上，微型化、高效率、高頻化、高可靠性以及薄型化需求正推動著元器件表貼化。此外，隨著 PL（產品責任法）的強制推行，安全性變得比以往更加受到重視。針對這些情況，應用于電源上的鋁電容被要求具有以下特點：小型、輕量、薄型、長壽命、高可靠性、芯片化、安全性。根據這些內容，以下所討論的要點，將有助于熟練使用鋁電容器。具體在選擇工業鋁電解電容器時應注意以下要點：

1、靜電容量和體積

鋁電解電容的靜電容量計算方式與平行板電容器一樣，利用以下公式計算：

通過介電常數ε和電解質厚度d，可以看出在同樣的表面積S下，鋁電解電容器的靜電容量相比薄膜電容器和陶瓷電容器大幾倍甚至幾十倍。

因此對于工業場景來說，選取容量大情況下體積最小的是最好的選項，這是因為工業的高速發展和開關電源效率的不斷提升。但僅僅追求容量和體積是不可取的，仍然需要關注鋁電解電容器本身的壽命以及額定紋波電流數值。

以尼吉康的在CEATEC 2020最新開發的“GYE系列”高容量導電性高分子混合鋁電解電容器來說，相比尼吉康之前推出的“GYA”系列（125℃ 4000小時保證）和“GYC系列”（135℃ 4000小時保證）等導電性高分子混合鋁電解電容器，在同樣尺寸下容量上提高了一個等級，因此有望通過減少電容器數量，縮小單元的尺寸和重量，進一步優化電路設計。

根據尼吉康的介紹，“GYE系列”通過采用高容量陽極箔和導電性高分子材料以及優化了電解液，從而實現了高容量產品。此外，維持了現有品“GYA系列”的高可靠性，其規格達到了125℃ 4000小時耐高溫、長壽命保證和耐濕性能85℃ 85%RH . 2000小時小時保證。不僅如此，相比常規品，額定紋波電流的容許值達到了約1.2倍。

另外，尼吉康還在CEATEC2020中展出最新開發的“UBH系列”鋁電解電容器，不僅改良了材料和制法，而且采用了低散發性能和低電阻率的電解液，從而實現了支持150℃和低ESR性能。在φ８以及φ10領域創造了行業最高級別的2000小時保證時間，還實現了低溫ESR保證，因此可以讓機器具備高性能和長壽命。

此外，“UBH系列”產品和現有的支持150℃的“UBC系列” 相比，可以容納大約1.5倍的靜電容量，因此采用本產品后有望減少元器件數量和實現機器的小型化。

值得注意的是，尼吉康的產品的鋁電解電容器無需安裝固定帶，在另一個方面也節省了空間。

2、額定電壓

任何電子元器件都有自己的耐壓，額定電壓也是選取元器件的最基本。那么超過額定電壓會怎么樣？

對于鋁電解電容器來說，若施加超過額定電壓的電壓，漏電流會急劇增加。壓力閥作動后，被氣化的電解液快速從打開的壓力閥部位排放出去。鑒于電容器的能量與電壓的 2 次方成比例J=1/2CV2，施加電壓越高，壓力閥的作動狀態越激烈，電極之間可能會短路。請在低于額定電壓的電壓上使用電容器。

電容也會有很多高壓使用的場景，因此高耐壓產品是必不可少的。尼吉康方面便在CEATEC 2020上擴充了“GYA系列”的80V額定產品，在高電壓領域也能提供高可靠性的匹配產品，有望為進一步優化電路設計做出貢獻。

3、ESR（等效串聯電阻）和紋波電流

在理想狀態下，電容自身不會產生能量損失，甚至在大學教材中容抗可以直接用XC= 1/(2πfC)計算出來。然而實際上電容的絕緣介質損耗是不可避免的，這是因為制造電容的材料其實本身就是一種電阻，而這一等效電阻與電極、端子引線、板材、電解質、電解質（溶液/固體）等多個參數相關，非常復雜。

正因為損耗在外部，等同于串聯了一個電阻，因此才會產生這樣一個指標ESR（Equivalent Series Resistance）。那么會有ESL，即等效串聯電感嗎？實際上是存在的，在早期的工藝中，容量大的電容很容易產生ESL，工藝提升的現在ESL基本可以忽略了，ESR的問題在現今仍然是需要引起重視的。

這是因為，ESR不僅浪費電能、產生諧振、影響品質因數Q，還會產生熱能耗P（P=12RS），熱能耗的產生與電容的穩定性和壽命產生了直接的影響。

另一方面，ESR還與紋波電流有關，紋波電流的有效值一般和ESR產生的損耗成正比，即Urms = Irms × R。（Urms 表示紋波電壓，Irms 表示紋波電流，R 表示電容的 ESR）。換言之，在紋波電流同等的條件下，ESR越大漣波電壓也會成倍提高，最終影響的便是電容器的壽命。

當然，對于紋波電流本身這個參數，也需要引起重視。根據電流波形不同，紋波電流有著不同的計算方式，在選取鋁電解電容時候注意額定紋波電流值即可。

對于ESR，ESR參數越低的鋁電解電容器就越好？并非如此，ESR過低的電容容易引起開關電路振蕩，從而再去解決電路振蕩問題，因此鋁電解電容器廠商會在避免振蕩同時盡量降低ESR。

尼吉康的鋁電解電容的低ESR化使用的是電解紙改良的一種技術，通過電解紙的低ESR化減少電容器生熱。此外，通過降低熱阻抗，大幅度提高了散熱效率。

相對尼吉康來說，固體鋁電解電容器的ESR性能最優最低，混合鋁電解電容器ESR居中，非固態鋁電解電容器ESR次之。

以尼吉康卓越的ESR性能著稱的“PCL系列”芯片型導電性高分子鋁固體電解電容器來講，今年CEATEC上尼吉康擴充了這個系列的參數型號，追加了額定電壓2.5V的產品。根據介紹，尼吉康的導電性高分子鋁固體電解電容器采用了導電性高分子電解質，不僅具有高頻領域的卓效的ESR特性，還有出色的容許紋波電流耐性。

另外，在車載市場上，近期尼吉康也向市場額定投放量行業最高支持150℃的“PCZ系列” 芯片型導電性高分子鋁固體電解電容器。

根據介紹，本產品優化了開發“PCZ系列”時采用的新技術，推出了16V、20V、50V、63V的額定電壓，還開發了低背品和長尺寸品，因此即使在以前的空白領域，尼吉康也能夠提供支持150℃的產品。總體產品陣容的額定電壓范圍為16~63V DC、額定靜電容量范圍為12~1000μF、產品尺寸為φ 8x7 L～φ 10x12.7 L。本產品保留了低ESR、高容許紋波電流等導電性高分子鋁固體電解電容器特長，即使在高溫環境下，也能選擇符合客戶要求的產品。

4、高耐溫和散熱

隨著電子技術的發展和算力的提升，設備也越來越熱，尤其是車載環境已經普遍達到了125℃~150℃。當然，對于工業場景來說，發熱量也越來越大，從安全性上來講，耐溫越高也越安全。

值得一提的是，行業普遍認為電解電容器的壽命與工作環境溫度息息相關，溫度越高，壽命越短。有些工程師則認為，非固態鋁電解電容器因為內部電解液會蒸發或化學變化，隨著時間增加ESR會逐漸增大，電容性能會劣化。

實際上，通過溫度曲線來看，鋁電解電容器的tanδ、等效串聯電阻（ESR）、阻抗是伴隨著溫度和頻率而產生變化。

通過尼吉康的鋁電解電容器產品來看，耐溫范圍基本均可在125℃~150℃上進行選擇。另外，尼吉康的鋁電解電容本身的散熱結構上也有助于自身散熱，更加提高了可靠性。

5、使用壽命

不得不說，電容器其實是電路中最容易壞的部件，在穩定性要求越來越高的現在，使用的壽命越長，二次更換成本越低。

上面也提到，ESR、溫度、電介質（固態、液態、混合態）這些參數都會影響到鋁電解電容器的壽命時長，使用壽命可謂是綜合了所有參數的最終參數，在選用時需要重點關注。

當鋁電解電容器的靜電容量變化率、損耗角正切（tanδ）、漏電流超過規定值或外觀發生明顯異常時，判定其達到壽命。溫度、濕度、振動等因素影響鋁電解電容器壽命，尤其是溫度的影響最大，溫度越高，壽命越短。

以尼吉康產品為例，壽命普遍在1000小時以上，最長甚至可以達到4000小時或8000小時。

6、充放電

電容器本身擁有儲能的特性，因此充放電性能也是值得關注的一條關鍵信息。特別是在充放電過程中的短路問題，非常影響使用中的穩定性。尼吉康方面則通過特殊的結構解決了快速充放電的短路問題。

另一方面，超級電容器是新型儲能裝置的一種。超級電容器的區別實際上在于電解電容器的電極材料上，成為介于電容和電池之間的一種產品，極大的容量完全可以充當電池使用。

電氣雙層電容（EDLC）便是超級電容中的一種，在充放電過程中完全沒有涉及物質變化，充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點，但EDLC的能量密度低至7Wh/kg，在體積上不具有優勢。

尼吉康則在此前推出了“SLB系列”小型鋰離子可充電電池，這是一種通過采用鈦酸鋰（LTO）作為負極實現的小型鋰離子充電電池，也是超級電容的一種。擁有高倍率快速充/放電性能、接近電容器的高輸入/輸出密度、10C下超過25000回充放電循環的長壽命、-30℃下工作的低溫特性等優勢。通過采用株式會社東芝的SCiB?技術開發出同時擁有高功率密度和能量密度的小型鋰離子可充電電池。

而在CEATEC 2020上，“SLB系列”小型鋰離子可充電電池的型號擴充到了φ8、φ12.5 尺寸品，可以用在更大容量的需求上。

總結

鋁電解電容器需要關注的指標非常多，而尼吉康則化簡為繁，直接為客戶帶來了很方便的選擇方法。藏在其中的，是腐蝕技術、電解液技術、仿真解析技術、誘電體氧化皮膜技術、鋁電解電容器異常電壓對應技術、高壓用鋁電解電容器低溫特性改善品、105℃ 800V對應電解液開發技術等。而最為需要注意的便是，尼吉康的生產是從原材料開始的，因此才得以如此堅固耐用。