开关电源中电解电容寿命预测分析

俞 珊，徐志望，董纪清

(1.福州大学至诚学院，福州350002；2.福建睿能科技股份有限公司，福州350002；3.福州大学电气工程与自动化学院，福州350116)

开关电源中电解电容寿命预测分析

俞 珊1，徐志望2，董纪清3

(1.福州大学至诚学院，福州350002；2.福建睿能科技股份有限公司，福州350002；3.福州大学电气工程与自动化学院，福州350116)

在开关电源产品中，电解电容是不可或缺的关键储能与电能变换元件。然而，在高纹波电流、高温的功率变换应用场合中，相对于其他电子元器件，电解电容的寿命是最短的。因此，电解电容是制约电源产品使用寿命的关键元件。首先从电解电容的内部结构与失效机理出发，指出温度是影响电解液挥发速率的最重要影响因子，并分别分析环境温度与纹波电流对电解电容使用寿命的影响。最后，以一台240 W高频开关电源样机中PFC母线电解电容为例，通过两种方式测量电容内部温升，测算的电容使用寿命满足产品整机规格要求。

电解电容；失效机理；阿氏模型；寿命预测

近年来，随着开关电源朝着高功率因数、高变换效率和高功率密度以及高频化、小型化、模块化、数字化方向发展，高频开关电源市场得到了良好的推广应用，但在可靠性验证与产品寿命保证等方面，仍存在一些不确定性。随着工业自动化与信息化技术高度紧密地融入国民经济生活的各个环节，具有“心脏”之称的开关电源是确保所有电子系统设备正常安全运行的核心部件。开关电源的故障会导致电子系统设备陷入异常或瘫痪状态，从而造成经济损失，甚至在医疗、金融、通讯、军事等关键应用领域还会造成人身财产伤亡等不良后果。

传统的开关电源可靠性与寿命老化试验，遵循以往知识积累与产品经验数据，需要大量的整机老化样本、统计时间与实验数据才能完成。这在工程设计应用上是非常耗时费力，却又是产品品质验证阶段不可或缺的关键环节。研究数据表明，经过良好设计并严格验证过的开关电源，出现设计不当而导致失效故障的概率较小，而元器件的老化问题则往往成为开关电源故障最主要的影响因子。

随着元器件设计技术与制造工艺的日益成熟，专家学者针对元器件失效机理与老化模型的研究也逐渐深入，一些理论研究成果与产品应用也见诸相关文献［1,2］。基于关键元器件的开关寿命预测模型，无需电源整机老化试验数据，只需要对部分关键器件进行针对性的老化实验规律研究，从而降低工程试验量，加快产品开发周期。相关的试验模型与寿命数据还可以进一步推广到相似应用场合的电源产品老化试验中。

与功率场效应管、二极管、磁性元件、芯片等开关电源关键器件相比，电解电容在25℃室温下使用寿命一般不超过106h，老化速度最快，使用寿命最短。当电解电容老化到一定程度时，其静态容量、寄生电阻等效串联电阻ESR（equivalent series resistance）、漏电流等性能参数均将发生重大变化，不仅影响开关电源系统闭环环路稳定性，还会引起电源参数超出性能指标，导致电子设备无法正常运行。因此，电解电容是制约电源电子产品使用寿命的关键元件。电解电容的性能退化主要表征为静电容量降低和寄生电阻ESR增加。近年来，相关研究通过对电容相关信号的在线检测与处理，并基于阿列里乌斯定律、最小二乘法或卡尔曼滤波法等建立电解电容ESR估测模型，从而取得了电解电容的寿命预测理论模型［3～7］。这些理论成果较适用于线性系统中电容个体的寿命检测，而在高频开关电源这种非线性系统工程中，往往需要与电容厂家的相关技术参数相结合，方可进一步应用于工程实际中。

本文以高频开关电源中常用的电解电容为研究对象，在介绍其内部基本结构与失效机理的基础上，并基于阿氏（Arrhenius）方程分析研究不同的应用环境温度与内部温升对电容寿命的影响，并给出相应的对比结果。最后，本文以一台240 W高频开关电源样机中PFC母线电解电容为研究对象，通过两种方式获得电容内部温升，并验证了该电容的使用寿命满足产品整机应用要求。

1 内部结构与失效机理

电解电容的内部基本构造是由阳极箔、隔离纸、电解液与阴极箔组成，如图1所示。阳极箔是由μm级厚度的高纯度铝箔构成，通过电化学腐蚀增大铝箔表面积，并通过化成处理在铝箔表面形成氧化铝层（Al2O3），从而减小电容体积、增加电容耐压。电解液一般有乙二醇（HO-CH2-CH2-OH）、γ-丁内酯等类型；其中，乙二醇是电解电容中最常使用的电解液，但其低温特性与耐热性仍有待提高。电解电容的正极由阳极箔加导线构成，负极由电解液、阴极铝箔与导线构成，隔离纸起到防止阳极箔与阴极箔接触短路和保持电解液的作用。

图1 电解电容内部构造Fig.1 Internal structure of electrolytic capacitor

额定纹波电流与最高允许使用温度构成电解电容的安全工作区域，如图2所示。在电容最高使用温度范围内，通过确认环境温度系数，可以在低于最高允许使用温度的前提下适当增加纹波电流。

在实际应用中，电解电容在产品寿命的初期与稳定期内故障率较低，但随着电解液不断挥发，表征电解电容寿命的关键性能参数（静电容量、寄生电阻ESR、漏电流）以及外观都将随之变化。电解液的蒸发速率会随着电容温度的升高而加快，从而导致电容的ESR变大，容值变小。电容温度受环境温度TA和电容本体纹波电流所产生内部温升Tr的共同影响。流经电容本体的纹波电流与寄生电阻ESR所产生的焦耳热量，将导致电容内部发热且压力上升，从而影响电容本体的自身温升与电解液的挥发速率。

同时，增大的ESR将使更多焦耳热量转化为电容内部温升，又加速了电解液的蒸发，从而造成电容的进一步失效。该温升加速效应，使得电解电容性能在较短时间内迅速恶化，影响整个电源产品的稳定性与可靠性，并进一步缩短供电系统的使用寿命。

图2 电解电容工作区域Fig.2 Work area of electrolytic capacitor

2 电容寿命影响因子

从电解电容失效机理可知，影响电解电容寿命的主要因素是温度。若考虑加速寿命试验的唯一环境应力为温度，且失效时间符合指数分布，则可采用阿氏（Arrhenius）模式对电解电容进行寿命预测与分析评估。同时，在现有的试验室条件下，通过对温度的操作来研究电解电容的加速失效是适合且合理可行的。因此，可以选用温度加速的阿氏模型来探讨电解电容的加速寿命试验方法。

电解电容在实际工作条件下的中心核温Tj是环境温度Ta与内部温升Tr共同作用的结果。目前，市面上电解电容的主流供应商，如 Rubycon、 Nichicon、NCC等，其产品手册中所推荐的寿命计算公式，均是基于阿氏模型，且均分别考虑环境温度与纹波电流对电解电容使用寿命的影响。

2.1 环境温度影响因子

从电解电容的内部结构可知，电容的老化过程是一种化学反应过程。化学动力学中的阿氏方程［8］给出了化学反应速度R（T）与热力学温度T的对应关系，即

式中：A为比例常数；Ea为化学反应活化能，对于Al2O3而言，Ea=0.94 eV；K为玻尔兹曼常数。则可得电解电容在不同温度应力下的寿命老化速率比为

式中：TR为最高允许工作温度；TA为电容在实际工作条件下的环境温度；LR为电容额定使用寿命；LN为电容在温度TA下的预测使用寿命。由式（2）可知，电解电容的工作温度每下降10℃，电容的使用寿命便会增加1倍。同时，随着电解电容温度的升高，其寿命将以指数形式呈现明显衰减趋势。

在对电解电容的工作环境温度TA进行温度场分析时，可通过FlUKE红外热成像仪扫描获得清晰的电源电路及其温度场分布图像，并进行准确的温度测量，从而帮助工程师分析出整块线路板的温度分布，完善并优化工程应用设计。

3D布局与电容温度关系实测，如图3所示。在一款输入电压为90～265 Vac/50 Hz、输出功率为240 W的高频开关电源中，通过修改元器件3D布局与PCB布板，使PFC输出电解电容CBus与发热源器件高频变压器T1分别保持2mm和6mm的空间距离时，电解电容表壳温度分别为74.6℃与68.1℃。可见，在进行3D布局与PCB布板时，功率器件应尽可能的按其发热量大小及散热方式进行分区合理排列，并使电解电容与热源保持一定的空间距离，从而有效降低电解电容的工作环境温度TA，进而降低电解电容中心核温Tj。

图3 3D布局与电容温度关系实例Fig.3 Example of 3D layout and capacitor temperature relationship

2.2 纹波电流影响因子

与薄膜电容、固态电容等其他类型电容相比，电解电容具有较大的损耗角tan δ，可间接表征为寄生电阻ESR。当纹波电流流经电解电容本体时，将会产生相应损耗以及由此损耗引起的内部温升Tr。该温升Tr对电解电容寿命的影响关系同样遵循式（2）所述的阿氏模型，且与工作环境温度TA一起成为电解电容使用寿命的关键影响因子。

在实际工作条件下，电解电容的损耗功率Ploss可表示为：Ploss=I2rmsESR+VDCIDC。与纹波电流Irms引起的损耗相比，漏电流IDC与电容电压应力VDC所产生的损耗VDCIDC可以忽略不计。因此，该损耗功率主要受纹波电流Irms与寄生电阻 ESR的影响［9，10］。电解电容的ESR并不是一个恒定值，会随着频率的变化而变化。在高频开关电源应用中，流经电解电容的纹波电流Irms也往往并非某一固定频率的标准正弦波，而是功率变换电路中开关频率波形为主以及开关过程高次谐波为辅的综合波形，呈现非正弦函数形式。这使得损耗功率Ploss不易计算，往往需要借助数学工具，对纹波电流进行复杂的傅里叶变换，形成各离散频率点fn上的周期纹波分量。最后对纹波电流周期分量Irms（fn）以及频率点上对应的电解电容ESR（fn）值进行综合计算，才能得到电解电容交流纹波总损耗。同时，在电解电容供应商所提供的产品手册中，通常不会提供直观的ESR（fn）表达式或曲线。因此，上述计算方法往往需要非常繁杂的计算量，并不适用于工程项目应用中。

目前业界的通用做法是，根据供应商所提供的频率系数kf，将纹波电流有效值归一化到产品说明书所定义的标准频率（如120 Hz等）上进行计算，从而得到损耗值。需注意的是，不同品牌的电解电容各有自己的频率系数kf，即使同一品牌的电解电容，频率系数kf也与电容种类的密切相关，并不能直接照搬通用。

图4 电容尺寸与温度关系实例Fig.4 Example of capacitor size and temperature relationship

2.3 外形尺寸影响因子

电解电容内部温升Tr除了与工作环境温度TA、自身损耗功率Ploss相关，还与电容的体积、表面积、形状（直径与高度）以及散热措施密切相关。这些参数都直接或间接决定了电容的热辐射或热传导系数，从而影响电容与周围环境之间的热阻。在图3实例中，PFC输出电解电容CBUS分别采用高度为30mm与35mm的类型时，在同样的纹波电流条件下，测得电容表壳温度分别为 68.1℃与61.3℃，如图4所示。因此，在功率密度要求不高，且电源内部空间允许的前提下，选取外形尺寸较大的电容，有利于电解电容自身损耗热量扩散到周围环境中，从而有效降低电解电容的内部温升Tr，进而降低电解电容中心核温Tj。

3 样机试验与寿命预测

制作一台240 W AC/DC高频开关电源样机，其电气规格参数如表1所示［11］。该电源样机由CCM Boost PFC电路和LLC谐振变换电路两级功率电路构成，并由dsPIC控制芯片实现两级功率电路的数字控制与通讯保护功能。其中，前级PFC开关频率为90 kHz，LLC谐振频率为105 kHz，PFC母线电解电容CBus作为本文的寿命研究对象，采用Rubycon公司出品的型号为450MXG 220MEFCSN30X30电解电容。根据其产品手册，电容直径ΦD=30mm，高度h=30mm，在最高工作温度TR= 105℃、额定纹波电流Irms0=1 050 mA时的额定使用寿命LR=3 000 h、频率系数kf=1.5@100 kHz。

表1 样机电气规格参数Tab.1 Prototype Electrical Specifications

根据阿氏方程与经验数据测算，Rubycon公司提供了该系列电解电容对应的寿命推算公式，即

图5 内部温升直接测量法示意Fig.5 Internal temperature direct measurement schematic

此外，Rubycon公司提供了基于纹波电流归一化算法的内部温升Tr测算公式，即

式中：Tr0为与电容类型相关的常数，通过查询产品规格可知Tr0=5℃。在额定输入电压120 Vac/50 Hz、额定负载240 W工作条件下，测试流径电解电容的纹波电流波形如图6所示。由图可知，纹波电流有效值Irms=2.28 A。将上述数值代入式（4）中，则可得电解电容CBus内部温升Tr=10.48℃。

直接测量法的内部温升获得方法简单、直接且准确，但需要供应商提供带有热电偶测试线的特殊样品才能进行实验，在工程应用上相对耗时较长。通过纹波电流归一化算法与直接测量法所获得的内部温升Tr数据基本一致，且在工程应用实践中更易于实现。因此，本文以纹波电流归一化算法所获得的电解电容内部温升Tr=10.48℃作为寿命预测分析参考数据。

图6 额定工作条件下电容纹波电流Irms波形Fig.6 Waveform of capacitor ripple current Irmsunder nominal operating condition

综上，将LR=3 000 h、TR=105℃、TA=73.23℃、C= 0.571、Tr=10.48℃代入式（3）中，可计算得240 W高频开关电源样机中的电解电容CBus的预测使用寿命LN=19 880 h，约为2.27 a，满足整个电源产品寿命2 a的规格要求。如果需要进一步提高电解电容的使用寿命，使之不至于成为电源产品的寿命短板，可以从电源产品整机的3D布局和风道设计、电解电容的类型（5 000 h长寿命、125℃高温电容、高电流纹波等）或者配备电容散热器等方面进行相应的改善。

4 结语

电解电容是制约电源产品使用寿命的短板元件，而温度是影响电容电解液挥发速率的最重要影响因子。本文从电解电容的内部结构与失效机理出发，分析研究环境温度与纹波电流对电解电容使用寿命的影响。以一台240 W高频开关电源样机中PFC母线电解电容为例，通过两种常用的方式测量电容内部温升，并测算了该电容的使用寿命。

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Analysis of Electrolytic Capacitor Life Prediction in Switching Power Supply

YU Shan1,XU Zhiwang2,DONG Jiqing3
(1.Zhicheng College，Fuzhou University,Fuzhou 350002,China;2.Fujian Raynen Technology Co.Ltd.,Fuzhou 350003, China;3.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China)

Electrolytic capacitors are essential key components of energy storage and power conversion in the switching power supply products.However,relative to the other electronic components,life prediction fo the is shortest in high ripple current and high-temperature power conversion applications.Thus,electrolytic capacitor restricts the electrical life of the product.First,based on the internal structure and the failure mechanism of electrolytic capacitor, this paper points out that temperature is the most important factor in the evaporation rate of the electrolyte,and analyzes the influences of ambient temperature and ripple current on the life of electrolytic capacitor respectively.Finally,taking the PFC bus electrolytic capacitor of 240 W high-frequency switching power supply prototype for example,the estimated life of capacitor meets the requirements of product specification through two ways to measure capacitor internal temperature.

electrolytic capacitor;failure mechanism;Arrhenius model;life prediction

俞珊（1984-），女，通信作者，硕士，讲师，研究方向：电力电子变换技术及电力电子高频磁技术，E-mail：shanfzu@sina.cn。

徐志望（1986-），男，硕士，高级硬件工程师，研究方向：电力电子变换技术，E-mail：aswan1940@aliyun.com。

董纪清（1974-），女，博士，副教授，研究方向：电力电子高频磁技术及电磁干扰抑制技术，E-mail：dongjiqing@fzu.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.87

TM 470

A

2016-07-21

福建省教育厅科技基金资助项目（JA14356）；福建省自然科学基金资助项目（2014J01178）

Project Supported by Science and Technology Foundation of Fujian Provincial Education Department（JA14356）;Natural Science Foundation of Fujian Province（2014J 01178）