一种电解容器脉冲老练机的研制

黄颖辉

（南通大学 电子信息学院，南通 226019）



一种电解容器脉冲老练机的研制

黄颖辉

（南通大学 电子信息学院，南通 226019）

摘 要：本文简要介绍电解电容器的生产原理，设计了一款基于脉冲电源的电容器老练机。这种老练机能够显著提高铝氧化膜的修复效果，提高生产效率。通过实验，此方案能够将老练时间缩短45%，且显著改善了电容器的寿命和电性能，具有良好的经济价值。

关键词：老练机 电解电容器 脉冲控制 电源

引言

在铝电解电容器中，老练过程是非常重要的一个环节。只有经过老练，产品的抗腐蚀性能、电性能和安全性才能得到质的提高。但是，传统的老练工艺耗时长，产品质量不能保证，且工艺中采用的电源电压必须从低电压开始，慢慢升高，既费时有费力，最后取得的结果也不尽人意。针对这些缺陷，人们开发了基于脉冲电源的电解电容器老练工艺。该工艺采用低压阶段性方法自动进行氧化膜的生长，大大缩短了老练消耗的时间，同时提高了产品质量。本文在研究传统老练机工作原理的基础上，提出一种基于脉冲电源的电解电容器老练方法，并设计相应的脉冲控制系统。通过实验验证，该方法能够显著改善老练时间，提高产品寿命，应用前景广阔。

1 脉冲老练机的工作原理

1.1 氧化膜修复机制

在电解电容器的生产过程中，传统工艺中的切箔、铆钉穿刺和卷绕工序会对电极氧化膜造成损伤。如果单纯依靠电解电容器本身的自然氧化反应，很难达到修复的目的［1-2］。老练过程也就是所谓的化成工艺，是在电解液中进行。在一定的电压和电流作用下，铝金属作为阳极，在溶液中生成正3价的Al离子，然后与氧离子结合成固态的Al2O3，同时在石墨阴极生成H2。传统工艺在进行电解操作时会消耗大量的电力能源，因此实际的经济效益并不明显。

1.2 脉冲老练效率改善的原因

为了解决传统老练工艺中存在的种种问题，工业界开发了脉冲电源控制的老练工艺。实际使用发现，此项工艺能够节约大量电能，同时改善产品质量。

改进后的脉冲老练工艺具备如下的几个优势：

（1）电解液中负离子的浓度会保持相对恒定的水平。传统的直流电源老练机，由于电力作用时间长，铝氧化膜的生成速度很快，从而导致溶液中的铝离子消耗过快而对后期的氧化修复作用有限；而脉冲老练能够让溶液始终保持较高的铝离子浓度［3］；

（2）采用脉冲电源的老练工艺能够使损伤孔中的气泡迅速扩散到溶液中，从而使生成的氧化膜厚度更加均匀，提高产品的良品率。在气泡溢出的瞬间，为了始终让电解液和铝容器的破损表面保持接触，脉冲信号的频率需要不断调整，以便能找到最优的一组值；

（3）脉冲电流能够活化溶液中的铝离子和氧离子。在老练过程中，氧化膜会变得更加厚实，不容易脱落。因为脉冲电源信号在破损处局部加热了电解液，离子的扩散速度达到了较高水平，这个过程加速了氧化膜的生长速度。

2 脉冲控制系统设计

2.1 系统硬件组成

基于脉冲电源的电解电容老练机系统框图如图1所示。系统包含输入、控制和执行三大子系统。在输入模块中，设计了拨码开关、功能开关和隔离单元。其中，隔离单元的主要功能是消除外部的干扰信号。系统控制单元包含有时钟产生电路、JTAC、指示灯控制和CPU。在老练工艺生产过程中，控制模块就是通过产生脉冲控制信号，控制执行单元产生一定频率的电压和电流，从而不断地在容器表面生长氧化膜，同时降低漏电流的消耗。逻辑主控CPU的核心由格雷码时序发生器构成，系统会自动产生八个状态位，每个状态分别对应充放电操作的控制［4-5］。八个状态的功能分别对应如下：总时间复位信号、置充电时间、置充电时间高位值、充电状态、悬空操作、置放电时间低位状态、置放电时间的高位状态、放电时间。

图1 基于脉冲电源的电解电容老练机系统框图

具体工作流程如下：首先，判断置总时间状态，由控制单元发出读取信号，分别读取相应拨码位上的开关数据，而上述操作只在整机复位时重复进行；在置充电时间状态时，控制单元会产生读充电时间的脉冲信号，以读取系统设置的充电时间；在充电状态时，系统产生相应的驱动信号，对老练机的脉冲电源保护电容进行充电操作；最后根据置放电时间状态，读取面板上相应拨码位开关信号，并限定对应的放电时间。

表1 105℃，1000 h负荷寿命试验

表2 105℃，1000 h高温漏电流试验

2.2 脉冲控制电源设计

为了达到较高的脉冲频率，需要对电源进行特殊设计，如图2所示，为老练机采用的脉冲电源原理图。本设计采用的电源要达到非常高的频率，才能显著降低老练机的作业时间［6］。图2中的脉冲电源包含了计算机控制模块、电压控制振荡模块、占空比控制电路和开关驱动电路。每个模块之间必须相互配合，才能对电源的输出电压频率可调，同时输出幅度可调。本文设计的脉冲电源能够输出0～600V的可调电压，频率调控范围为0～5000Hz，整体的最大输出功率能够达到30kW。

图2 脉冲电源原理图

2.3 保护单元设计

由于电解电容器老练机的电源要求非常高，需要设计电源保护系统。电源保护电路的原理图，如图3所示。首先，在电源终端建立分压采样电路，通过总线系统和现场传感器网络，实时监测电源的运行状态，且保护电路需要与PLD系统光电隔离，以避免引入干扰。

图3 电源保护原理图

3 实验结果分析

本实验所采用的电解电容器型号为CD18（105℃，普通型）400V33uF，电容器的整体尺寸为16mm×25mm，容器的阳极箔电压为Vf=530V。此外，还需要电解液和其他材料，实验工艺无其他特殊要求。

首先，对烤箱中的2000只电解电容器分别用本文研制的脉冲电源和常规直流电压源进行老练。实验设定的脉冲老练工艺操作流程是首先室温升压1.0h，然后高温1.0h，最后室温老练0.5h，总共2.5小时。另一组参照实验采用常规老练工艺，具体操作流程为：首先室温环境升压5h（分段老练法）），然后高温老练4h，总共耗时9小时。在两组实验老练完后，随机抽样10只样品作为一组，分别进行105℃、1000h的负荷寿命试验，然后进行温度105℃、1000h的高温漏电流试验。实验中记录的有关数据分别如表1和表2所示。

上述表1、表2中的数据分别是10只样品的平均值。从寿命试验的结果中可以发现，两种老练法都能满足105℃1000h的性能要求。通过两组实验比较，还验证了脉冲老练法能够将传统的老练时间从11小时降低到2.5小时，充分说明了脉冲老练法能够有效提高生产效率。另外，两种老练法的电容器样本除了初始参数不一样外，脉冲法的漏电流获得了明显降低，其他参数则都不相上下。在高温贮存寿命测试后，电容器的漏电流和高温漏电流参数相较于脉冲法都要小得多，说明脉冲老练法不仅能缩短老练时间，而且在提高修补氧化膜的质量上具有明显的优势。

4 性能比较及改进措施

与传统老练法比较，脉冲电源老练法的初始电极的漏电流要更高。这主要是因为铝箔的接触面腐蚀微孔在老练时不会残留气体形成隔离气膜，能够与电容器良好接触，在直流电源老练时，局部的环境不利于气泡的溢出。这种缺陷不但影响正常铝氧化膜的生长和修复，而且会造成漏电流不能准确测定。由于这些局部气膜比氧化膜的绝缘性要好，因此直流电源老练法的漏电流较低。但是，随着时间的推移和温度的上升，这些气膜会慢慢消退，这时漏电流会明显增长。而脉冲老练法在初始阶段就通过大的脉冲电流对局部的气泡形成冲击，可使局部不容易积聚气泡，因此瞬间的漏电流较大，但是这能够促进氧化膜的生长。最后，通过高温负荷寿命试验发现，缺陷处的孔底气膜可迅速消退，孔底的氧化膜能同时在脉冲电压作用下得到快速修复，从而大大降低了氧化膜生长消耗的时间。

5 总结

本文在总结传统老练机的工艺局限后，提出了基于脉冲老练法的电解电容器氧化膜生长方法。通过对实验结果进行分析发现，该方法消耗的时间只有传统直流电源老练法的1/4，因此具有非常明显的成本优势，应用前景诱人。

参考文献

［1］林学清.洪学宝.铝电解电容器工程技术［M］.厦门：厦门大学出版社，2007：80.

［2］高西汉.铝电解电容器脉冲电压老练机理研究［J］.电子元件与材料，1993，（4）：43-45.

［3］王玉华.用正交试验法探索铝电解电容器脉冲电压老练工艺［J］.电子元件与材料，2000，（2）：27-29.

［4］张丽鹏，于先进，高芝媛.铝电解用金属基惰性阳极材料的研究进展［J］.硅酸盐通报，2008，（1）：105-110，114.

［5］梁霞妹，铁绍龙.高比容铝电解电容器关键技术进展［J］.科技导报，2008，（7）：78-83.

［6］叶绍龙，肖劲，丁凤其，李劼，邹忠，刘业翔.铝电解用炭阳极的综合性能［J］.中国有色金属学报，2003，（2）：490-496.

Development of An Electrolytic Vessel Pulse Aging Machine

HUANG Yinghui
（School of electronic inform ation， Nantong Univers ity，Nantong 226019）

Abstract:The traditional electrolytic capacitor aging machine production efficiency is low， the environm ental pollution is big， need to improve. In this paper， the production principle of electrolytic capacitor is introduced， and a capacitor aging machine based on pulse power supply is designed. This aging machine can significantly improve the repair effect of alum inum oxide film and improve the production efficiency. T hrough experiments，this method can the tact time from 10 hours down to a few hours and significantly improved the life and electrical property of the capacitor， reduce material costs for about 10% of a high voltage capacitor， has good economic value.

Key words:aging machine， electrolytic capacitor， puls e control， power supply

基金项目：江苏省政策引导类计划（产学研合作）——前瞻性联合研究项目《隧道式电解容器脉冲老练机的研制》（BY2015047-08）。