一种耐瞬间过电压铝电解电容器的研制

2020-04-14

电子元器件与信息技术 2020年11期

（南通江海电容器股份有限公司，江苏南通 226301）

0 引言

近年来，国家对家用电器的能耗等级进行了严格管理，变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等家用电器变频化得到快速发展，但在市场实际工作中，由于各地电网波动比较大，客观存在电网瞬间过电压现象，比如传统的铝电解电容器额定工作电压为450V，其标称瞬间耐最大浪涌电压一般为500V，根据整机厂家对电网的长期监测，发现最高瞬间浪涌电压会达到610V（时间大约几毫秒），且会不规则性长期存在，因此，普通传统的450V铝电解电容器在市场失效率就比较高，大约在3000ppm左右，许多客户为了解决这个问题，就普遍采用500V铝电解电容器来替代450V产品，但除了成本大幅度提升外，其标称瞬间耐最大浪涌电压一般为550V，也不能彻底解决问题，笔者研究了电解液、正负极箔的生产工艺与开发工艺，结合工作经验研制出了一种铝电解电容器，其额定电压是450V，瞬间耐过电压超过620V，可于-25～105℃正常运行，可连续使用5000h左右。

1 比照其他同类产品

目前，我国一些较大规模的企业都能够生产高压铝电解电容器（450V，150℃工作温度）的标准产品，而瞬间耐过电压达到620V的高压铝电解电容器则以日本厂家为行业龙头，如红宝石公司、日本贵弥功株式会社等，笔者对这些公司所生产的产品进行了研究并借鉴，以450V680为例，主要技术指标对比如下：

江海公司：工作温度范围为-25～105℃、额定工作电压为450V、电容量为680μF、损耗角正切为0.2、直流漏电流为1.5mA或0.01CV中的小者、寿命为5000hrs（105℃）、瞬间耐过电压为630V。

Rubycon公司：工作温度范围为-25～105℃、额定工作电压为450V、电容量为680μF、损耗角正切为0.2、直流漏电流为小于或等于3（CV）0.5、寿命为5000 hrs（+105℃）、瞬间耐过电压为625 V。

NipponChemi-con公司：工作温度范围为-25～+105℃、额定工作电压为450V、电容量为680μF、损耗角正切为0.2、直流漏电流为小于或等于3（CV）0.5、寿命为5000hrs（+105℃）、瞬间耐过电压为631V[1]。

2 产品特点及解决措施

+105℃、瞬间耐过电压达到620V的高压铝电解电容器有以下特点：（1）工作最高上限温度为+105℃；（2）额定工作电压为450V，瞬间耐过电压（也称开阀电压）达到620V以上；（3）此类电容器一般用于变频家用电器，需要其能够在长期运行状态下保持稳定状态。

所以，在设计产品时通过以下措施达到上述要求：一是要求阳极箔具有较高的化成电压，且具有较小的介质损耗；二是要求电解液具有较快形成效率及较高的闪火电压，同时其电导率要高，且能够在高温状态下稳定运行；三是要求电解纸的杂质少且能够耐高电压；四是为了使含浸时间减少，应用了液压式含浸工艺；五是为保证老化效率提高，避免产品发生漏电流情况，使用多级分段高温老化。

3 产品研制

3.1 阳极箔

作为铝电解电容器的主要材料，阳极箔的性能会对铝电解电容器的使用寿命造成极大影响。传统产品采用的化成箔的侧面孔洞形状以及本次新开发的产品采用的化成箔的侧面孔洞形状如图1所示。

优势：新工艺箔由于孔底部分叉孔的减少以及短孔变少，化成箔的有效孔数变多，单位面积下的容量一致性更好，容量获取率也更高[2]。

传统产品采用的化成箔的化成工艺为混合酸工艺或者硼酸工艺，而本次新产品采用的化成箔的化成工艺为一种特殊设计的化成工艺（我们称为HG化成），其主要区别见如图2。

结构特点比较如下：（1）HG化成箔的水合膜厚度小。因为水合膜属于较大分子结构，低频下交流极化损耗大，因此，在低频下HG化成箔比硼酸化成箔具有更低的交流发热；（2）HG化成箔的非晶膜厚度较大。非晶膜的特点是密度低、漏电流小、介质损耗小，但耐压强度稍低（18～21Å/V），而结晶膜耐压强度为13～15Å/V；（3）在高温、高压试验以后，部分厚度的非晶膜转化为结晶膜，耐压强度上升，这正是耐过电压应用所需要的[3]。

3.2 电解液

作为铝电解电容器的主要材料，电解液是其实际阴极。电容器要能承受瞬间的过电压，要求电解液闪火电压必须很高的同时需要具有很强的氧化效率，以提高介质氧化膜的形成速度，同时保证高温状态下其具有较高的电导率及耐压稳定性。

笔者所在的研制小组进行了改良，其内容主要如下：（1）电解液以乙二醇为主溶剂，添加少量甘油作为辅助溶剂；溶质选择10～12碳链的有机羧酸铵，并添加聚合羧酸铵盐来稳定高温闪火电压。（2）使用新型复合吸氢剂，其能够将电容器老化过程与过压过程中电化学反应产生新的氢气吸收，这样能够大大避免电容器内压的上升而造成的电容器变形。（3）为了能大幅提高电解液闪火电压，同时又不增加电解液的粘度，添加nm SiO2液体分散剂。nm SiO2是一种带电微粒吸附剂，可以在介质氧化膜表面快速吸附后形成绝缘层[4]。

数次试验后，研制出了一款较高电导率、适中粘度及较高闪火电压的电解液，其参数及配方详情如下：

电解液配方：乙二醇、甘油、总溶质、聚合羧酸铵、吸氢剂以及nm SiO2，且占比依次为78～88w/%、3～5w/%、8～12w/%、0.5～1w/%、0.5～2.5w/%以及0.5～1.5w/%。

电解液有关参数：电导率1800～2200μS/cm（30℃），闪火电压在530V以上，粘度为49mPa·s（30℃）。

3.3 电解纸的选用

传统的高压电解纸材质为木材纤维，其吸水性相对较差，浸渍电解液时不容易渗入，且ESR比较高，产品容易发热，在长期的高温下工作，会影响电容器的寿命。本团队开展了多次试验，最终选择了一种新型电解质，其成分为木纤维（少量）、麻与棉，其具有很高的纯度，吸水性是传统的两倍，电解液很容易渗透，大大缩短了浸渍时间，因其组成结构为三层复合纤维，所以无论是耐电压能力还是电解质浸润性都十分优秀，且等效串联的电阻较小，具体参数对比如下：

传统高压纸的密度为0.75g/cm3、厚度为40um、吸水性为8mm/10min、ESR为2.29Ω/1KHZ、耐击穿电压为700V；新型高压纸的密度为0.76g/cm3、厚度为40um、吸水性为19mm/10min、ESR为2.08Ω/1KHZ、耐击穿电压为840V。

3.4 生产工艺

高压铝电解电容器所采用的阳极箔具有较大的氧化膜厚度及较高的化成电压，铝箔比较脆弱，进行裁切时容易出现毛刺且较长。为了使毛刺的长度减小，本小组进行了多次试验，最终采取以下措施：将裁切速率调低，将具有挥发性的润滑油滴加到刀片上使其散热。

为了提升电容器的耐击穿电压，我们选择采用4层复合电解纸来进行生产，因此，其芯包体积与厚度均较大，需要是芯包含浸时间减少，以免因时间较长而导致参数出现劣化的情况发生。基于上述情况笔者所在团队对影响芯包浸润的因素展开了研究，传统的含浸工艺是将干芯包分在多层含浸筛浸泡在大型浸渍锅中，电解液采用的是正、负压气压循环系统，这种浸渍方法的缺点是：时间长，芯包电解液难以浸透，上下层芯包的电解液保持率不一致。为了解决该问题，本小组采用了一种新型的油压式浸渍系统，其优点是：含浸时间缩短了传统做法的四分之一、且芯包的电解液保持率非常一致。

在生产铝电解电容器期间，铝箔的氧化膜在最初的铆接卷绕及裁切等工序就会受到损伤，而使用老化程序能够修复损伤。耐过电压电容器不但需要对氧化膜进行氧化修复，而且需要比一般产品更高的老化电压值，同时又不能在电容器内部产生过多的氧气和氢气等气体。研发小组探讨了老化工艺，设计了具体的老化方案，利用不同升压环节对老化电压与升压电流进行控制，最终完善了氧化膜修补，保证电容器具有较高的老化电压及较小的漏电流，老化电压高，产气量低，批量生产成品率高[5]。

4 试验方法及试验结果

某家用变频空调公司试验基本构造图如图3。测试条件：AC220V、5分钟加压后，直接升至AC430V、1秒加压，此为一个循环，合计216循环。测试波形图如图4。判定基准：要求试验后电容器外观无异常，无爆炸、起火。测试结果：试验产品规格：450V、680uF；试验数量：20只；结果：全部合格，符合标准。