工業(yè)鋁電解電容器如何選型？

出品?21ic中國電子網(wǎng) 付斌

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蒸汽機(jī)的問世，標(biāo)志著世界開啟了工業(yè)革命；大規(guī)模流水線的正式運(yùn)行，標(biāo)志著電力開始應(yīng)用，成為了第二次工業(yè)革命；第一臺可編程控制器（PLC）的成功研發(fā)，標(biāo)志著生產(chǎn)進(jìn)入自動化時(shí)代，成為了第三次工業(yè)革命；而現(xiàn)今機(jī)器換人的概念被提出，得益于IoT、機(jī)器間通信和信息物理融合系統(tǒng)的發(fā)展，催生著工業(yè)的第四次革命，即工業(yè)4.0。

所謂工業(yè)4.0，依托的是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、3D打印、知識工作自動化、網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能九大支柱。然而，新技術(shù)的使用和算力的急速攀升的結(jié)果，便是整體方案逐漸靠攏集成化、小型化、可靠性。另一方面，小型化的需求下，很多設(shè)備更加偏向采用自然風(fēng)冷，這便對于高耐熱提出一定的需求。

對于半導(dǎo)體行業(yè)來說，這不僅催生著集成電路的進(jìn)一步進(jìn)化，也促進(jìn)了上游元器件的發(fā)展。電容、電阻、電感被冠以“三大被動元件”，叱咤電子圈，是最常用的電子元件之一。其中，電容約占電子元件用量的40%，是用途最廣泛、用量最大的一種被動元件。不可忽視的是，工業(yè)場景中的能源供給和信息通訊都非常依賴電容器，在工業(yè)場景中大量用于電源模塊、不間斷電源、通信模塊上。

10月20日-23日CEATEC 2020 Online期間，尼吉康（nichicon）開發(fā)并擴(kuò)展了其鋁電解電容器旗下產(chǎn)品，并擴(kuò)充了其在去年發(fā)布的小型鋰離子可充電電池“SLB”系列，以下記者將從技術(shù)方面分析最新產(chǎn)品所應(yīng)對的場景。

工業(yè)的變革與鋁電解電容

電容為何成為“電容、電阻、電感三小強(qiáng)”中用量最大的被動元件？數(shù)據(jù)顯示，僅僅手機(jī)中的電容的用量就達(dá)到了1000-1100顆，而平均每臺電動車需要用到1.7萬顆到1.8萬顆。如此巨大的用量，要?dú)w功于電容的自身的“通交阻直”和“充放電”的特性，由此衍生出隔直流、旁路（去耦）、耦合、濾波、溫度補(bǔ)償、計(jì)時(shí)、調(diào)諧、整流、儲能、平滑電壓等功用。

根據(jù)電容器的制造材料不同，具體可以分為：陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電容器、薄膜電容器主要四類電容。其中陶瓷電容多用于增速飛快的消費(fèi)電子和汽車電子中，并且MLCC缺貨漲價(jià)的新聞?lì)l發(fā)而被人熟知。

事實(shí)上，鋁電解電容和薄膜電容在市場的用量一直非常穩(wěn)定，其中鋁電解電容占整個(gè)電容器市場的33%。另據(jù)中國電子元器件行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，全球鋁電解電容市場整體規(guī)模近年來保持每年4%左右的增長。究其原因，主要在于鋁電解電容容量大、價(jià)格優(yōu)，可在開關(guān)電源、整流模塊、通信設(shè)備和汽車中大量使用。

上文也有提及，工業(yè)4.0時(shí)代即將到來，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”不僅帶來大量的數(shù)據(jù)處理，也帶來了大量的無線連接。數(shù)據(jù)處理需要擴(kuò)建更多需要不間斷電源（UPS）的數(shù)據(jù)中心，無線連接需要給設(shè)備都裝上無線模塊，這便直接推動了鋁電解電容用量的增長。值得一提的是，由于我國正在大力推行5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和“新基建”，在制造通信系統(tǒng)時(shí)候會大量用到鋁電解電容，因此目前對于鋁電解電容的需求量極大。

鋁電解電容的構(gòu)造與發(fā)展

鋁電解電容器是以陽極高純度鋁箔表面上形成的氧化膜為電介質(zhì)，再由陰極鋁箔、電解液、電容器紙（電解紙）構(gòu)成。氧化膜是通過電解氧化（化成）形成，非常薄，具有整流特性。此外，通過對高純度鋁箔進(jìn)行腐蝕來擴(kuò)大有效表面積，獲得小型化大容量的電容器。

鋁電解電容根據(jù)電解質(zhì)形態(tài)不同可以分為液態(tài)鋁電解電容和固態(tài)鋁電解電容，前者擁有更好的成本優(yōu)勢，后者則擁有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和長壽命。根據(jù)引出方式不同分為引線式、焊針式、焊片式、螺栓式和貼片式。

從性能上來講，固態(tài)鋁電解電容遠(yuǎn)超于液態(tài)鋁電解電容，一顆固體鋁電解電容可以替代2-3顆液態(tài)鋁電解電容；從工藝上來講，液態(tài)鋁電解電容在高溫可能會導(dǎo)致電解液沸騰蒸發(fā)，低溫會導(dǎo)致電解液凝固，并且有漏液的風(fēng)險(xiǎn)。因此，行業(yè)普遍認(rèn)為固態(tài)鋁電解電容是未來的趨勢。

工業(yè)4.0時(shí)代，除了在用量上的考驗(yàn)，在對整機(jī)的不斷集成化、小型化、超薄化的背景下，也催生著上游元件的轉(zhuǎn)型。以鋁電解電容用量較大的電源管理來說，在5-10年的發(fā)展趨勢是高功率密度、低EMI、低靜態(tài)電流、低噪聲高精度、更好的隔離性能，這幾項(xiàng)參數(shù)指向的便是更好的穩(wěn)定性和更高的集成度，直接推動了鋁電解電容朝向小型化/超薄化、固體化、大容量化發(fā)展。

值得注意的是，電源模塊、不間斷電源、通信設(shè)備對于穩(wěn)定性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域。特別是24小時(shí)不間斷工作的工廠，在既有的穩(wěn)定性下?lián)碛懈L的壽命，可以大大減少工業(yè)維修的時(shí)間和成本。

不過，尼吉康在鋁電解電容方面則是分為三種：鋁電解電容器（電解液）、導(dǎo)電高分子鋁電解電容器（固態(tài)）、混合鋁電解電容器。所謂混合鋁電解電容即為兩者的固液混合，即高容量、低漏損電流特性的“電解液與高紋波電流、低ESR、低溫特性的“導(dǎo)電性高分子”的組合。

在尼吉康看來，混合鋁電解電容器和液態(tài)鋁電解電容器相比，在高頻率領(lǐng)域的ESR性能優(yōu)異，對于溫度變化具有穩(wěn)定的ESR性能。再者，因內(nèi)部含有電解液，具有氧化膜修復(fù)功能，能維持穩(wěn)定的電氣性能。

21ic家認(rèn)為，固態(tài)鋁電解電容固然擁有很好的壽命和低ESR，但由于成本的限制，混合鋁電解電容是過渡和補(bǔ)全產(chǎn)品線的一個(gè)好選項(xiàng)，特別是在對可靠性要求越來越高的現(xiàn)如今。需要引起大家需要重視的是，固態(tài)電解電容器也并非“萬能的”，在技術(shù)上仍然有許多進(jìn)步空間，因此混合鋁電解電容可謂是1+1＞2，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)異性能。

工業(yè)鋁電解電容的選型

鋁電解電容器和其他電容一樣，在工業(yè)選型中也擁有很多參數(shù)需要考慮，特別是在工業(yè)4.0的大背景下，更好的參數(shù)才足以勝任高強(qiáng)度的不間斷運(yùn)行。

在電子元器件市場上，微型化、高效率、高頻化、高可靠性以及薄型化需求正推動著元器件表貼化。此外，隨著 PL（產(chǎn)品責(zé)任法）的強(qiáng)制推行，安全性變得比以往更加受到重視。針對這些情況，應(yīng)用于電源上的鋁電容被要求具有以下特點(diǎn) ：小型、輕量、薄型、長壽命、高可靠性、芯片化、安全性。根據(jù)這些內(nèi)容，以下所討論的要點(diǎn)，將有助于熟練使用鋁電容器。具體在選擇工業(yè)鋁電解電容器時(shí)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

1、靜電容量和體積

鋁電解電容的靜電容量計(jì)算方式與平行板電容器一樣，利用以下公式計(jì)算：

通過介電常數(shù)ε和電解質(zhì)厚度d，可以看出在同樣的表面積S下，鋁電解電容器的靜電容量相比薄膜電容器和陶瓷電容器大幾倍甚至幾十倍。

因此對于工業(yè)場景來說，選取容量大情況下體積最小的是最好的選項(xiàng)，這是因?yàn)楣I(yè)的高速發(fā)展和開關(guān)電源效率的不斷提升。但僅僅追求容量和體積是不可取的，仍然需要關(guān)注鋁電解電容器本身的壽命以及額定紋波電流數(shù)值。

以尼吉康的在CEATEC 2020最新開發(fā)的“GYE系列”高容量導(dǎo)電性高分子混合鋁電解電容器來說，相比尼吉康之前推出的“GYA”系列（125℃ 4000小時(shí)保證）和“GYC系列”（135℃ 4000小時(shí)保證）等導(dǎo)電性高分子混合鋁電解電容器，在同樣尺寸下容量上提高了一個(gè)等級，因此有望通過減少電容器數(shù)量，縮小單元的尺寸和重量，進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

根據(jù)尼吉康的介紹，“GYE系列”通過采用高容量陽極箔和導(dǎo)電性高分子材料以及優(yōu)化了電解液，從而實(shí)現(xiàn)了高容量產(chǎn)品。此外，維持了現(xiàn)有品“GYA系列”的高可靠性，其規(guī)格達(dá)到了125℃ 4000小時(shí)耐高溫、長壽命保證和耐濕性能85℃ 85%RH . 2000小時(shí)小時(shí)保證。不僅如此，相比常規(guī)品，額定紋波電流的容許值達(dá)到了約1.2倍。

另外，尼吉康還在CEATEC2020中展出最新開發(fā)的“UBH系列”鋁電解電容器，不僅改良了材料和制法，而且采用了低散發(fā)性能和低電阻率的電解液，從而實(shí)現(xiàn)了支持150℃和低ESR性能。在φ８以及φ10領(lǐng)域創(chuàng)造了行業(yè)最高級別的2000小時(shí)保證時(shí)間，還實(shí)現(xiàn)了低溫ESR保證，因此可以讓機(jī)器具備高性能和長壽命。

此外，“UBH系列”產(chǎn)品和現(xiàn)有的支持150℃的“UBC系列” 相比，可以容納大約1.5倍的靜電容量，因此采用本產(chǎn)品后有望減少元器件數(shù)量和實(shí)現(xiàn)機(jī)器的小型化。

值得注意的是，尼吉康的產(chǎn)品的鋁電解電容器無需安裝固定帶，在另一個(gè)方面也節(jié)省了空間。

2、額定電壓

任何電子元器件都有自己的耐壓，額定電壓也是選取元器件的最基本。那么超過額定電壓會怎么樣？

對于鋁電解電容器來說，若施加超過額定電壓的電壓，漏電流會急劇增加。壓力閥作動后，被氣化的電解液快速從打開的壓力閥部位排放出去。鑒于電容器的能量與電壓的 2 次方成比例J=1/2CV2，施加電壓越高，壓力閥的作動狀態(tài)越激烈，電極之間可能會短路。請?jiān)诘陀陬~定電壓的電壓上使用電容器。

電容也會有很多高壓使用的場景，因此高耐壓產(chǎn)品是必不可少的。尼吉康方面便在CEATEC 2020上擴(kuò)充了“GYA系列”的80V額定產(chǎn)品，在高電壓領(lǐng)域也能提供高可靠性的匹配產(chǎn)品，有望為進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。

3、ESR（等效串聯(lián)電阻）和紋波電流

在理想狀態(tài)下，電容自身不會產(chǎn)生能量損失，甚至在大學(xué)教材中容抗可以直接用XC= 1/(2πfC)計(jì)算出來。然而實(shí)際上電容的絕緣介質(zhì)損耗是不可避免的，這是因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧掀鋵?shí)本身就是一種電阻，而這一等效電阻與電極、端子引線、板材、電解質(zhì)、電解質(zhì)（溶液/固體）等多個(gè)參數(shù)相關(guān)，非常復(fù)雜。

正因?yàn)閾p耗在外部，等同于串聯(lián)了一個(gè)電阻，因此才會產(chǎn)生這樣一個(gè)指標(biāo)ESR（Equivalent Series Resistance）。那么會有ESL，即等效串聯(lián)電感嗎？實(shí)際上是存在的，在早期的工藝中，容量大的電容很容易產(chǎn)生ESL，工藝提升的現(xiàn)在ESL基本可以忽略了，ESR的問題在現(xiàn)今仍然是需要引起重視的。

這是因?yàn)椋珽SR不僅浪費(fèi)電能、產(chǎn)生諧振、影響品質(zhì)因數(shù)Q，還會產(chǎn)生熱能耗P（P=12RS），熱能耗的產(chǎn)生與電容的穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生了直接的影響。

另一方面，ESR還與紋波電流有關(guān)，紋波電流的有效值一般和ESR產(chǎn)生的損耗成正比，即Urms = Irms × R。（Urms 表示紋波電壓，Irms 表示紋波電流，R 表示電容的 ESR）。換言之，在紋波電流同等的條件下，ESR越大漣波電壓也會成倍提高，最終影響的便是電容器的壽命。

當(dāng)然，對于紋波電流本身這個(gè)參數(shù)，也需要引起重視。根據(jù)電流波形不同，紋波電流有著不同的計(jì)算方式，在選取鋁電解電容時(shí)候注意額定紋波電流值即可。

對于ESR，ESR參數(shù)越低的鋁電解電容器就越好？并非如此，ESR過低的電容容易引起開關(guān)電路振蕩，從而再去解決電路振蕩問題，因此鋁電解電容器廠商會在避免振蕩同時(shí)盡量降低ESR。

尼吉康的鋁電解電容的低ESR化使用的是電解紙改良的一種技術(shù)，通過電解紙的低ESR化減少電容器生熱。此外，通過降低熱阻抗，大幅度提高了散熱效率。

相對尼吉康來說，固體鋁電解電容器的ESR性能最優(yōu)最低，混合鋁電解電容器ESR居中，非固態(tài)鋁電解電容器ESR次之。

以尼吉康卓越的ESR性能著稱的“PCL系列”芯片型導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器來講，今年CEATEC上尼吉康擴(kuò)充了這個(gè)系列的參數(shù)型號，追加了額定電壓2.5V的產(chǎn)品。根據(jù)介紹，尼吉康的導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器采用了導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)，不僅具有高頻領(lǐng)域 的卓效的ESR特性，還有出色的容許紋波電流耐性。

另外，在車載市場上，近期尼吉康也向市場額定投放量行業(yè)最高支持150℃的“PCZ系列” 芯片型導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器。

根據(jù)介紹，本產(chǎn)品優(yōu)化了開發(fā)“PCZ系列”時(shí)采用的新技術(shù)，推出了16V、20V、50V、63V的額定電壓，還開發(fā)了低背品和長尺寸品，因此即使在以前的空白領(lǐng)域，尼吉康也能夠提供支 持150℃的產(chǎn)品。 總體產(chǎn)品陣容的額定電壓范圍為16~63V DC、額定靜電容量范圍為12~1000μF、產(chǎn)品尺寸為φ 8x7 L～φ 10x12.7 L。 本產(chǎn)品保留了低ESR、高容許紋波電流等導(dǎo)電性高分子鋁固體電解電容器特長，即使在高溫環(huán)境下，也能選擇符合客戶要求的產(chǎn)品。

4、高耐溫和散熱

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和算力的提升，設(shè)備也越來越熱，尤其是車載環(huán)境已經(jīng)普遍達(dá)到了125℃~150℃。當(dāng)然，對于工業(yè)場景來說，發(fā)熱量也越來越大，從安全性上來講，耐溫越高也越安全。

值得一提的是，行業(yè)普遍認(rèn)為電解電容器的壽命與工作環(huán)境溫度息息相關(guān)，溫度越高，壽命越短。有些工程師則認(rèn)為，非固態(tài)鋁電解電容器因?yàn)閮?nèi)部電解液會蒸發(fā)或化學(xué)變化，隨著時(shí)間增加ESR會逐漸增大，電容性能會劣化。

實(shí)際上，通過溫度曲線來看，鋁電解電 容器的tanδ、等效串聯(lián)電阻（ESR）、阻抗是伴隨著溫度和頻率而產(chǎn)生變化。

通過尼吉康的鋁電解電容器產(chǎn)品來看，耐溫范圍基本均可在125℃~150℃上進(jìn)行選擇。另外，尼吉康的鋁電解電容本身的散熱結(jié)構(gòu)上也有助于自身散熱，更加提高了可靠性。

5、使用壽命

不得不說，電容器其實(shí)是電路中最容易壞的部件，在穩(wěn)定性要求越來越高的現(xiàn)在，使用的壽命越長，二次更換成本越低。

上面也提到，ESR、溫度、電介質(zhì)（固態(tài)、液態(tài)、混合態(tài)）這些參數(shù)都會影響到鋁電解電容器的壽命時(shí)長，使用壽命可謂是綜合了所有參數(shù)的最終參數(shù)，在選用時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

當(dāng) 鋁 電 解 電 容 器 的 靜 電 容 量 變 化 率、 損 耗 角 正 切（tanδ）、漏電流超過規(guī)定值或外觀發(fā)生明顯異常時(shí)，判定其達(dá)到壽命。溫度、濕度、振動等因素影響鋁電解電容器壽命，尤其是溫度的影響最大，溫度越高，壽命越短。

以尼吉康產(chǎn)品為例，壽命普遍在1000小時(shí)以上，最長甚至可以達(dá)到4000小時(shí)或8000小時(shí)。

6、充放電

電容器本身擁有儲能的特性，因此充放電性能也是值得關(guān)注的一條關(guān)鍵信息。特別是在充放電過程中的短路問題，非常影響使用中的穩(wěn)定性。尼吉康方面則通過特殊的結(jié)構(gòu)解決了快速充放電的短路問題。

另一方面，超級電容器是新型儲能裝置的一種。超級電容器的區(qū)別實(shí)際上在于電解電容器的電極材料上，成為介于電容和電池之間的一種產(chǎn)品，極大的容量完全可以充當(dāng)電池使用。

電氣雙層電容（EDLC）便是超級電容中的一種，在充放電過程中完全沒有涉及物質(zhì)變化，充電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，但EDLC的能量密度低至7Wh/kg，在體積上不具有優(yōu)勢。

尼吉康則在此前推出了“SLB系列”小型鋰離子可充電電池，這是一種通過采用鈦酸鋰（LTO）作為負(fù)極實(shí)現(xiàn)的小型鋰離子充電電池，也是超級電容的一種。擁有高倍率快速充/放電性能、接近電容器的高輸入/輸出密度、10C下超過25000回充放電循環(huán)的長壽命、-30℃下工作的低溫特性等優(yōu)勢。通過采用株式會社東芝的SCiB?技術(shù)開發(fā)出同時(shí)擁有高功率密度和能量密度的小型鋰離子可充電電池。

而在CEATEC 2020上，“SLB系列”小型鋰離子可充電電池的型號擴(kuò)充到了φ8、φ12.5 尺寸品，可以用在更大容量的需求上。

總結(jié)

鋁電解電容器需要關(guān)注的指標(biāo)非常多，而尼吉康則化簡為繁，直接為客戶帶來了很方便的選擇方法。藏在其中的，是腐蝕技術(shù)、電解液技術(shù)、仿真解析技術(shù)、誘電體氧化皮膜技術(shù)、鋁電解電容器異常電壓對應(yīng)技術(shù)、高壓用鋁電解電容器低溫特性改善品、105℃ 800V對應(yīng)電解液開發(fā)技術(shù)等。而最為需要注意的便是，尼吉康的生產(chǎn)是從原材料開始的，因此才得以如此堅(jiān)固耐用。

在工業(yè)4.0的大背景下，所有的器件都在不斷跳代升級，鋁電解電容器亦如此，對于小小的電容器來說小型化、耐溫、耐壓、低ESR、固態(tài)化已逐漸成為行業(yè)要研究的重要課題。

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