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耐高紋波電流電解電容的研究分析
通過優(yōu)選材料，開發(fā)高溫下劣化很小的電解液，配合特殊的鉚接卷繞工藝，如負極增容貼片技術(shù)等，研制出耐高溫耐高紋波的高可靠性鋁電解電容器，其壽命可達到135℃2000小時!適合及滿足高品質(zhì)節(jié)能燈使用要求。
一，原材料;
正極鋁箔是鋁電解電容的主要制作材料，其形成電壓及比容高低與電解電容壽命有著直接的關(guān)系，形成電壓越高，產(chǎn)品漏電越小，比容越低，體現(xiàn)在開片面積更大，單位發(fā)熱量低，而且對于降低低頻下的損耗從而減少溫升有很大的益處。通過試驗，我們認為要達到135℃要求，其正極鋁箔形成電壓必須高于590V，比容低于0.38μF/cm2。
負極鋁箔主要是收集電流及于正極鋁箔形成復合容量，其復合容量的計算公式為：
C=C+×C-/ C++C
式中C為復合容量，C+為正極容量，C-為負極容量。由此可見，選擇高比容的負極鋁箔有助于提升總?cè)萘考皽p少試驗后的容量衰減。由于電解電容在放電時，其負極可能會承受正向電壓，負極耐壓選擇按下式：
V≥C+×V充/ C++C
式中可以得出，負極形成電壓越高，產(chǎn)品的可容許通過的紋波電流將更大，但負極形成電壓提高，其比容會有所下降，因此我們選擇形成電壓為6V左右的40~50μm厚度的負極鋁箔。
電解紙對于電容器的損耗影響較大，在耐壓容許的情況下，選用密度低(060~0.70Kg/m3)厚度稍微厚一點的紙(80~90μm)，這里我們采用WM270-80型號的電解紙，既保證了耐壓，且損耗也維持在一個比較低的水平，又能夠吸附較多的電解液，保證了電容器高溫度下的長壽命工作要求[1]。
膠粒方面，由于產(chǎn)品所要求的溫度較高、壽命較長，由于國內(nèi)普遍采用的是過氧化物硫化的三元乙丙膠，使用三元乙丙膠膠塞要達到135℃的要求, 會加入許多抗氧化物以及使用無機填充物來提高抗熱性，無機填充物雖然耐溫很高但壽命很短, 抗氧化劑可以耐高溫但會影響過氧化物的硫化導致氣密性和電氣特性不好，使電容過早干枯失效，因此我們選擇氣密性更好的樹脂硫化方式的丁基膠塞。
二，電解液
電解液是高溫長壽命產(chǎn)品的關(guān)鍵。為保證產(chǎn)品的高溫長壽命, 電解液應(yīng)具有:極低的飽和蒸汽壓減少揮發(fā);極好的高溫穩(wěn)定性防止高溫性能劣化;較高的閃火電壓防止擊穿;較高的氧化效率能及時修復受損的氧化膜來降低漏電流等。
溶劑方面，單用乙二醇我們認為已經(jīng)可以滿足135℃使用要求，但由于使用了氣密性好的丁基膠，我們選擇乙二醇以及其它多元醇類溶劑混合來降低飽和蒸汽壓，更能有效的防止電容器高溫工作時過早鼓底。
而且由于節(jié)能燈需要經(jīng)常開關(guān)，體現(xiàn)在電容器上需要經(jīng)常進行充放電，開關(guān)的瞬間電流沖擊對于電解電容器的可靠性來說，是一個比較重要的因素，鋁電解電容器的工作負極——電解液，是離子導電性質(zhì)，因此在達到一個比較強的電場時，發(fā)生氧離子放電生成氧氣，出現(xiàn)閃火發(fā)生，極易造成擊穿現(xiàn)象，再加上鋁箔生產(chǎn)加工過程中形成的毛刺及電解紙密度的不均勻等情況影響，更易發(fā)生。電容器外觀表現(xiàn)為輕微起鼓或是防爆閥打開等不良。因此如何提高電解液的閃火電壓及迅速修補氧化膜缺陷的能力成為解決此問題的首要辦法，因此：
溶質(zhì)方面使用含有長碳鏈羧酸銨鹽來配制，隨著其碳鏈的增長其閃火電壓也越高。如使用帶有支鏈的長碳鏈羧酸銨鹽溶液，不僅由于其本身既為液態(tài)增加了在乙二醇中的溶解度，從而提升了電導率，而且由于擁有更長的碳鏈，因此其閃火電壓也處于一個較高的水平。但電解液完全使用這類物質(zhì)作為溶質(zhì)則成本將會太貴，經(jīng)過工藝試驗驗證后，我們還優(yōu)選了一些傳統(tǒng)的直鏈式二羧酸銨鹽為第二溶質(zhì)作為補充，不僅降低了成本，而且也能滿足高溫長壽命的要求。
高壓長壽命產(chǎn)品用電解液需要有著高的閃火電壓及電導率，但這兩個因素通常是相互制約的，溶質(zhì)含量的增加必然降低閃火電壓。因此筆者在電解液中適當加入一些含有多個極性基團的高分子聚合物，如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡絡(luò)烷酮等,由于這類高聚物一個分子中就有多個帶負電荷的極性基團, 與帶正電荷的陽極箔靜電引力大, 加之高聚物分子量大, 色散力大, 總的吸附能大, 解吸不容易，能夠牢固地吸附在陽極箔表面, 保護了氧化膜，也提高了閃火電壓[2]。
鋁電解電容器在進行氧化還原反應(yīng)時，其負極無可避免的會產(chǎn)生氫氣，因此采用了帶硝基的苯環(huán)類物質(zhì)使用做為吸氫劑，如對硝基苯甲酸等。但此類去極化劑的過多使用容易提高電子發(fā)射的頻率使得閃火容易發(fā)生[3]，因此我們選用兩種或兩種以上的消氫劑復合使用，達到比較好的吸收氫氣效果,減少了其老化起鼓現(xiàn)象及避免了用量過多影響閃火電壓的穩(wěn)定。
目前較多廠家作為添加劑用的次亞磷酸銨，經(jīng)過筆者大量的工藝試驗，配合三元乙丙膠材質(zhì)的膠粒使用時效果比較好，但是配合丁基膠膠粒時使用的話，在老化過程中電壓稍高就會產(chǎn)生導針圓弧部位電解紙發(fā)黑的情況，而且伴隨著還有產(chǎn)品鼓底現(xiàn)象，筆者針對此現(xiàn)象并做了大量工藝試驗的情況后，選擇8-羥基喹啉來代替次亞磷酸銨，由于8-羥基喹啉能夠和電解液中溶解下來的鋁離子進行絡(luò)合，降低了產(chǎn)品的漏電流，取得了不錯的效果，且產(chǎn)品在老化時未發(fā)生電解紙發(fā)黑情況。
三，工藝
節(jié)能燈用電解電容器容易發(fā)生開關(guān)擊穿，除了對切割和鉚卷時的毛刺和箔灰嚴格管控外,另由于在電容器施加高紋波電流時或者短時間電壓差和大的充放電時，因為負極導針鉚接處鋁梗上的電容量非常低，很容易發(fā)生負極打火擊穿，因此我們采取了在負極上墊上一小塊同樣比容的負極鋁箔來對其進行增容處理，提高了產(chǎn)品的可靠性[4]。
產(chǎn)品需要承受高溫度下長時間工作，其密封性能很重要，采用硬度很高(邵氏硬度82以上)的丁基膠不需要束腰很深即可達到很好的密封性能;控制芯子含浸后的甩干及暴露于空氣中的時間，使其保持對電解液相對較多的吸附量;對組立機上芯子振動盤上方加裝蓋子，在生產(chǎn)的時候阻擋空氣與芯子之間的回流，避免吸收空氣中的水分及雜質(zhì)污染;同時在組立過程中將芯子與膠粒之間的間隙控制在0.2~0.4mm之間，有利于產(chǎn)品內(nèi)氣體在封口前瞬間排出等。
為了提高產(chǎn)品的可靠性，在老化時較原有產(chǎn)品適當提高老化電壓10~20V電壓，并將高溫時間從原來的7小時延長至9小時，不僅有效的降低了產(chǎn)品的漏電流也達到了一個早期篩選剔除不良品的作用。
四，試驗結(jié)果
通過優(yōu)選材料，研究高溫下性能劣化小的電解液及使用密封性能優(yōu)異的膠塞，使用一些特殊工藝后研制成的鋁電解電容器具有耐高溫度、耐高紋波及高可靠性，將產(chǎn)品置于135℃環(huán)境溫度下施加直流偏置電壓后疊加120HZ/70mA紋波電流后，其壽命可達2000小時。由于產(chǎn)品所處環(huán)境溫度高,電容器在回路中有大紋波電流情況下,其芯子內(nèi)部溫升經(jīng)測量可達15℃以上!如果試制的產(chǎn)品所用的正極比容還可以更低，那么電容器的溫升將更加的小。若開發(fā)出高溫穩(wěn)定性更好的電解液，密封性能更好的膠粒材料，使得鋁電解電容器擁有著更低的阻抗，更好的散熱設(shè)計等，那么鋁電解電容器應(yīng)還能承受更高的溫度，更長的壽命。
