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铝电解电容器的现状与发展

来源:佛山市探宇电子有限公司 编者: 发布时间:2010-08-05

铝电解电容器的现状与发展

电容器是使用最广,用量最大,且不可取代的电子元件,其产量约占电子元件的40%,而铝电解电容器又占三大类电容器(电解电容器、陶瓷电容器、有机薄膜电容器)产量的36.8%。电解电容器是10年来我国发展速度最快的元件之一,目前,国内电解电容器的年生产总量接近250亿只,年平均增长率高达28%,占全球电解电容器产量的1/3。在发展过程中,铝电解电容器也有来自集成电路、整机电路的改进和在高压、高频、长寿命、小容量应用领域中其它电容器(如多层独石陶瓷电容器、金属化薄膜电容器、钽电解电容器等)的相互渗透。铝电解电容器自身也在不断改进、完善和创新。尤其是随着科学技术的发展,社会需求的提高,环境的改善,新型整机的诞生,使小型化、片式化和中高压大容量铝电解电容器的应用领域不断拓宽,需求量越来越大。因此,铝电解电容器不仅不会萎缩,而且还具有更强的生命力和更广阔的发展空间,会有更快的增长速度。
  1 铝电解电容器的结构与性能特点 铝电解电容器是由经过腐蚀和形成氧化膜的阳极铝箔、经过腐蚀的阴极铝箔、中间隔着电解纸卷绕后,再浸渍工作电解液,然后密封在铝壳中而制成的。其性能特点如下所述。

  1.1 单位体积电容量非常大   

  电容器的电容量C=ε0εrS/d, 其中,ε0是真空电容率(常数),εr是介质材料的相对介电常数,S是电极的有效面积,d是介质材料的厚度。对于铝电解电容器,εr=8~10。阳极铝箔和阴极铝箔可以通过腐蚀使其表面积增加几十倍到几百倍。d=αVf,α≈1.4nm/V,Vf=10V~600V,则d约为0.014μm~0.9μm,比其它电容器小几倍到几百倍。因而,电解电容器的单位体积电容量比其它电容器大几倍到几十倍。

  1.2 额定容量非常大 由于电解电容器采用卷绕结构,很容易扩大体积,因此,可以很容易地做到几万微法甚至几十万微法的额定电容量。

  1.3 具有自愈作用 由于电容器内部有电解液,因此,在工作中,电容器阳极铝箔上的电介质一旦发生局部性破坏,电解液中的O2-或OH-或酸根离子在电场力的作用下迅速到达破坏位置,将破坏位置堵塞住,并将破坏的氧化膜修复,使电容器恢复正常状态。

  1.4 工作电场强度高 由于阳极氧化膜在形成过程中每伏特生长大约1.4nm,即阳极氧化膜生长时的电场强度约为7×107V/cm,其工作状态下的电场强度约为5×107V/cm,这个值远远大于陶瓷电容器和薄膜电容器的工作电场强度。

  1.5 价格优势 由于制造铝电解电容器所使用的主要原材料都是普通工业材料,所用设备属于一般工业设备,自动化程度也较高,因此制造成本相对较低,尤其是单位容量的制造成本比其它类型的电容器具有压倒性优势。

  2 铝电解电容器存在的缺点

  2.1 有极性和有漏液的可能性 由于电解电容器存在极性,在使用时必须注意正负极的正确接法,否则不仅电容器发挥不了作用,而且漏电流很大,短时间内电容器内部就会发热,破坏氧化膜,随即损坏。 铝电解电容器用铝壳和橡胶塞密封,当工作电解液受热汽化后,容易从引线的根部渗出。电容器长期工作后,导致电解液干涸,使电容器失效。这是铝电解电容器的主要失效模式之一。

  2.2 损耗角正切值较大,温度、频率特性相对较差 工作电解液在铝电解电容器中起着阴极的作用,由于工作电解液是离子导体,而离子的运动速度比电子的运动速度慢得多,导致工作电解液的电导率比电子导体的电导率低。再浸电解纸后其电导率进一步下降,因此,工作电解液所引起的等效串联电阻比其它电容器的金属电极所引起的等效串联电阻大,从而导致铝电解电容器的损耗角正切值较大,且频率特性相对较差。另外,由于液体材料的电导率受温度的影响较大,所以,铝电解电容器的温度特性也相对较差。

  2.3 易老化 工作电解液尽管采用的是弱酸/弱碱盐作为电解质,水和有机溶剂作溶剂,但仍然具有一定的腐蚀性,对电容器的阳极氧化膜和橡胶塞有一定的侵蚀作用。另外,电解质盐与溶剂之间随着时间的推移也会发生一定的化学反应。这些现象都将导致电容器的电性能劣化。 总之,尽管铝电解电容器具有一定的缺点,限制了它在某些场合的应用,但是由于它的高容量和价格优势等显著的优点,使它在同陶瓷电容器、薄膜电容器、钽电解电容器的竞争中牢牢地占据着30%以上的份额。且随着汽车电子、变频技术等电力电子技术的发展,其所占比率将有大幅度上升的趋势。

  3 铝电解电容器的生命力 随着科学技术的发展,尤其是集成电路(IC)和超大规模集成电路(VLSI)的发展,整个电容器行业能否持续发展,甚至还有没有生存空间受到人们的怀疑,然而,从1987年以来,全球电容器的生产量每年以20%以上的速度增长,使这种怀疑不攻自破。实践证明铝电解电容器具有极强的生命力。

  3.1IC的发展无法取代铝电解电容器 一方面,由于IC的出现使部分小容量的电容器被集成到电路内部;另一方面,IC的发展使电路系统的工作频率大大提高,导致铝电解电容器在部分电路中被别的电容器所取代。但是,IC电路中的电源部分却始终离不开电解电容器。另外,铝电解电容器自身性能的提高也向其它电容器的应用领域扩展。

  3.2 整机电路的变化只改变了铝电解电容器的型号 开关电源的体积不断缩小,能量转换效率不断提高,使得开关电源的工作频率不断提高(从20kHz到500kHz,甚至达到1MHz以上),导致其输出部分的高频噪声加大,为了有效滤波,必须使用超低高频阻抗或低等效串联电阻(ESR)的电容器。

  3.3 其它电容器与铝电解电容器的相互补充 多层独石陶瓷电容器使用的陶瓷介质的不断开发,介电常数不断提高,再加上其高频性能好以及片式化等有利条件,使其在低压小容量的应用场合具有一定优势。 金属化薄膜的制备技术不断提高,使薄膜的耐压性大大提高,另外,薄膜电容器具有可靠性高、ESR小等优点,使薄膜电容器在中高压小容量的使用中有一定特长。 钽电解电容器不仅具有优良的温度和频率特性,而且又具有片式化的优势,在低压中小容量的应用领域有一定的增长。 双电层电容器的材料及制备技术不断进步,大大降低了其ESR,使其在低压大容量的应用领域具有竞争性。 由此可见,中高压大容量铝电解电容器并没有受到其它电容器的冲击,具有其独特的优势。另外,在低压小容量方面虽然存在一定的竞争,其出路在于加快相关技术的研究开发,加强和继续扩大铝电解电容器现有优势,克服其自身的缺点。特别是近几年来,铝电解电容器已在多方面取得了长足的突破性进展,实现了质的飞跃。不仅其市场份额没有缩小,相反,其应用领域不断扩宽,呈现出高速增长,迎来了许多前所未有的发展机遇。

  4 铝电解电容器迎来难得的机遇   

  信息时代的到来,知识经济的出现,不仅给全球经济带来了福音,也给电子工业带来前所未有的繁荣,同样,铝电解电容器也得到空前的发展。



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