一種耐瞬間過(guò)電壓鋁電解電容器的研制

（南通江海電容器股份有限公司，江蘇 南通 226301）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)家用電器的能耗等級(jí)進(jìn)行了嚴(yán)格管理，變頻空調(diào)、變頻冰箱、變頻洗衣機(jī)等家用電器變頻化得到快速發(fā)展，但在市場(chǎng)實(shí)際工作中，由于各地電網(wǎng)波動(dòng)比較大，客觀存在電網(wǎng)瞬間過(guò)電壓現(xiàn)象，比如傳統(tǒng)的鋁電解電容器額定工作電壓為450V，其標(biāo)稱瞬間耐最大浪涌電壓一般為500V，根據(jù)整機(jī)廠家對(duì)電網(wǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)最高瞬間浪涌電壓會(huì)達(dá)到610V（時(shí)間大約幾毫秒），且會(huì)不規(guī)則性長(zhǎng)期存在，因此，普通傳統(tǒng)的450V鋁電解電容器在市場(chǎng)失效率就比較高，大約在3000ppm左右，許多客戶為了解決這個(gè)問(wèn)題，就普遍采用500V鋁電解電容器來(lái)替代450V產(chǎn)品，但除了成本大幅度提升外，其標(biāo)稱瞬間耐最大浪涌電壓一般為550V，也不能徹底解決問(wèn)題，筆者研究了電解液、正負(fù)極箔的生產(chǎn)工藝與開(kāi)發(fā)工藝，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)研制出了一種鋁電解電容器，其額定電壓是450V，瞬間耐過(guò)電壓超過(guò)620V，可于-25～105℃正常運(yùn)行，可連續(xù)使用5000h左右。

1 比照其他同類產(chǎn)品

目前，我國(guó)一些較大規(guī)模的企業(yè)都能夠生產(chǎn)高壓鋁電解電容器（450V，150℃工作溫度）的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，而瞬間耐過(guò)電壓達(dá)到620V的高壓鋁電解電容器則以日本廠家為行業(yè)龍頭，如紅寶石公司、日本貴彌功株式會(huì)社等，筆者對(duì)這些公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行了研究并借鑒，以450V680為例，主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如下：

江海公司：工作溫度范圍為-25～105℃、額定工作電壓為450V、電容量為680μF、損耗角正切為0.2、直流漏電流為1.5mA或0.01CV中的小者、壽命為5000hrs（105℃）、瞬間耐過(guò)電壓為630V。

Rubycon公司：工作溫度范圍為-25～105℃、額定工作電壓為450V、電容量為680μF、損耗角正切為0.2、直流漏電流為小于或等于3（CV）0.5、壽命為5000 hrs（+105℃）、瞬間耐過(guò)電壓為625 V。

NipponChemi-con公司：工作溫度范圍為-25～+105℃、額定工作電壓為450V、電容量為680μF、損耗角正切為0.2、直流漏電流為小于或等于3（CV）0.5、壽命為5000hrs（+105℃）、瞬間耐過(guò)電壓為631V[1]。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)及解決措施

+105℃、瞬間耐過(guò)電壓達(dá)到620V的高壓鋁電解電容器有以下特點(diǎn)：（1）工作最高上限溫度為+105℃；（2）額定工作電壓為450V，瞬間耐過(guò)電壓（也稱開(kāi)閥電壓）達(dá)到620V以上；（3）此類電容器一般用于變頻家用電器，需要其能夠在長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

所以，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)通過(guò)以下措施達(dá)到上述要求：一是要求陽(yáng)極箔具有較高的化成電壓，且具有較小的介質(zhì)損耗；二是要求電解液具有較快形成效率及較高的閃火電壓，同時(shí)其電導(dǎo)率要高，且能夠在高溫狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行；三是要求電解紙的雜質(zhì)少且能夠耐高電壓；四是為了使含浸時(shí)間減少，應(yīng)用了液壓式含浸工藝；五是為保證老化效率提高，避免產(chǎn)品發(fā)生漏電流情況，使用多級(jí)分段高溫老化。

3 產(chǎn)品研制

3.1 陽(yáng)極箔

作為鋁電解電容器的主要材料，陽(yáng)極箔的性能會(huì)對(duì)鋁電解電容器的使用壽命造成極大影響。傳統(tǒng)產(chǎn)品采用的化成箔的側(cè)面孔洞形狀以及本次新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品采用的化成箔的側(cè)面孔洞形狀如圖1所示。

優(yōu)勢(shì)：新工藝箔由于孔底部分叉孔的減少以及短孔變少，化成箔的有效孔數(shù)變多，單位面積下的容量一致性更好，容量獲取率也更高[2]。

傳統(tǒng)產(chǎn)品采用的化成箔的化成工藝為混合酸工藝或者硼酸工藝，而本次新產(chǎn)品采用的化成箔的化成工藝為一種特殊設(shè)計(jì)的化成工藝（我們稱為HG化成），其主要區(qū)別見(jiàn)如圖2。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較如下：（1）HG化成箔的水合膜厚度小。因?yàn)樗夏儆谳^大分子結(jié)構(gòu)，低頻下交流極化損耗大，因此，在低頻下HG化成箔比硼酸化成箔具有更低的交流發(fā)熱；（2）HG化成箔的非晶膜厚度較大。非晶膜的特點(diǎn)是密度低、漏電流小、介質(zhì)損耗小，但耐壓強(qiáng)度稍低（18～21?/V），而結(jié)晶膜耐壓強(qiáng)度為13～15?/V；（3）在高溫、高壓試驗(yàn)以后，部分厚度的非晶膜轉(zhuǎn)化為結(jié)晶膜，耐壓強(qiáng)度上升，這正是耐過(guò)電壓應(yīng)用所需要的[3]。

3.2 電解液

作為鋁電解電容器的主要材料，電解液是其實(shí)際陰極。電容器要能承受瞬間的過(guò)電壓，要求電解液閃火電壓必須很高的同時(shí)需要具有很強(qiáng)的氧化效率，以提高介質(zhì)氧化膜的形成速度，同時(shí)保證高溫狀態(tài)下其具有較高的電導(dǎo)率及耐壓穩(wěn)定性。

筆者所在的研制小組進(jìn)行了改良，其內(nèi)容主要如下：（1）電解液以乙二醇為主溶劑，添加少量甘油作為輔助溶劑；溶質(zhì)選擇10～12碳鏈的有機(jī)羧酸銨，并添加聚合羧酸銨鹽來(lái)穩(wěn)定高溫閃火電壓。（2）使用新型復(fù)合吸氫劑，其能夠?qū)㈦娙萜骼匣^(guò)程與過(guò)壓過(guò)程中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的氫氣吸收，這樣能夠大大避免電容器內(nèi)壓的上升而造成的電容器變形。（3）為了能大幅提高電解液閃火電壓，同時(shí)又不增加電解液的粘度，添加nm SiO2液體分散劑。nm SiO2是一種帶電微粒吸附劑，可以在介質(zhì)氧化膜表面快速吸附后形成絕緣層[4]。

數(shù)次試驗(yàn)后，研制出了一款較高電導(dǎo)率、適中粘度及較高閃火電壓的電解液，其參數(shù)及配方詳情如下：

電解液配方：乙二醇、甘油、總?cè)苜|(zhì)、聚合羧酸銨、吸氫劑以及nm SiO2，且占比依次為78～88w/%、3～5w/%、8～12w/%、0.5～1w/%、0.5～2.5w/%以及0.5～1.5w/%。

電解液有關(guān)參數(shù)：電導(dǎo)率1800～2200μS/cm（30℃），閃火電壓在530V以上，粘度為49mPa·s（30℃）。

3.3 電解紙的選用

傳統(tǒng)的高壓電解紙材質(zhì)為木材纖維，其吸水性相對(duì)較差，浸漬電解液時(shí)不容易滲入，且ESR比較高，產(chǎn)品容易發(fā)熱，在長(zhǎng)期的高溫下工作，會(huì)影響電容器的壽命。本團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了多次試驗(yàn)，最終選擇了一種新型電解質(zhì)，其成分為木纖維（少量）、麻與棉，其具有很高的純度，吸水性是傳統(tǒng)的兩倍，電解液很容易滲透，大大縮短了浸漬時(shí)間，因其組成結(jié)構(gòu)為三層復(fù)合纖維，所以無(wú)論是耐電壓能力還是電解質(zhì)浸潤(rùn)性都十分優(yōu)秀，且等效串聯(lián)的電阻較小，具體參數(shù)對(duì)比如下：

傳統(tǒng)高壓紙的密度為0.75g/cm3、厚度為40um、吸水性為8mm/10min、ESR為2.29Ω/1KHZ、耐擊穿電壓為700V；新型高壓紙的密度為0.76g/cm3、厚度為40um、吸水性為19mm/10min、ESR為2.08Ω/1KHZ、耐擊穿電壓為840V。

3.4 生產(chǎn)工藝

高壓鋁電解電容器所采用的陽(yáng)極箔具有較大的氧化膜厚度及較高的化成電壓，鋁箔比較脆弱，進(jìn)行裁切時(shí)容易出現(xiàn)毛刺且較長(zhǎng)。為了使毛刺的長(zhǎng)度減小，本小組進(jìn)行了多次試驗(yàn)，最終采取以下措施：將裁切速率調(diào)低，將具有揮發(fā)性的潤(rùn)滑油滴加到刀片上使其散熱。

為了提升電容器的耐擊穿電壓，我們選擇采用4層復(fù)合電解紙來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，因此，其芯包體積與厚度均較大，需要是芯包含浸時(shí)間減少，以免因時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致參數(shù)出現(xiàn)劣化的情況發(fā)生。基于上述情況筆者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)影響芯包浸潤(rùn)的因素展開(kāi)了研究，傳統(tǒng)的含浸工藝是將干芯包分在多層含浸篩浸泡在大型浸漬鍋中，電解液采用的是正、負(fù)壓氣壓循環(huán)系統(tǒng)，這種浸漬方法的缺點(diǎn)是：時(shí)間長(zhǎng)，芯包電解液難以浸透，上下層芯包的電解液保持率不一致。為了解決該問(wèn)題，本小組采用了一種新型的油壓式浸漬系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是：含浸時(shí)間縮短了傳統(tǒng)做法的四分之一、且芯包的電解液保持率非常一致。

在生產(chǎn)鋁電解電容器期間，鋁箔的氧化膜在最初的鉚接卷繞及裁切等工序就會(huì)受到損傷，而使用老化程序能夠修復(fù)損傷。耐過(guò)電壓電容器不但需要對(duì)氧化膜進(jìn)行氧化修復(fù)，而且需要比一般產(chǎn)品更高的老化電壓值，同時(shí)又不能在電容器內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)多的氧氣和氫氣等氣體。研發(fā)小組探討了老化工藝，設(shè)計(jì)了具體的老化方案，利用不同升壓環(huán)節(jié)對(duì)老化電壓與升壓電流進(jìn)行控制，最終完善了氧化膜修補(bǔ)，保證電容器具有較高的老化電壓及較小的漏電流，老化電壓高，產(chǎn)氣量低，批量生產(chǎn)成品率高[5]。

4 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

某家用變頻空調(diào)公司試驗(yàn)基本構(gòu)造圖如圖3。測(cè)試條件：AC220V、5分鐘加壓后，直接升至AC430V、1秒加壓，此為一個(gè)循環(huán)，合計(jì)216循環(huán)。測(cè)試波形圖如圖4。判定基準(zhǔn)：要求試驗(yàn)后電容器外觀無(wú)異常，無(wú)爆炸、起火。測(cè)試結(jié)果：試驗(yàn)產(chǎn)品規(guī)格：450V、680uF；試驗(yàn)數(shù)量：20只；結(jié)果：全部合格，符合標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本研發(fā)小組通過(guò)研發(fā)陽(yáng)極箔、新型電解液、電解紙及生產(chǎn)工藝，最終研制出了一種鋁電解電容器，其額定電壓是450V，瞬間耐過(guò)電壓超過(guò)620V，能夠于150攝氏度下工作，其在變頻家用電器中廣泛應(yīng)用，成本低、質(zhì)量穩(wěn)定，提高了機(jī)器設(shè)備的可靠性，滿足客戶需求。