浅谈铝电解电容器的燃烧性.doc

浅谈铝电解电容器的燃烧性Combustion of Aluminum Electorlytic Capacitance摘 要: 笔者专门就铝电解电容器之燃烧机理及其解决方案等方面进行了相当长一段时间的调查研究，通过对几种燃烧模式的分析，提出了一些解决方法。关键词: 电容器；燃烧；电解液序言大型铝电解电容器被广泛应用于汽车变速电容器、UPS系统和反用换流器等场合。然而，目前铝电解电容器大多因采用易燃的有机酸系电解液而带来了燃烧性的问题。其中，高压大型铝电解电容器因工作时聚集的静电能量非常高以及拥有的电解液量也很多,故而带来了更大的易燃易爆等安全问题。根据对某些家电类整机的市场质量反馈数据的不完全统计来看，因铝电解电容器引发的整机火灾事件约占百分之三十八左右。显然，此类问题已到了相当严重的程度。 从技术更新的角度出发，铝电解电容器的研发人员往往致力于电容器的小型化、高性能化、高温度长寿命化等。但近年来不少家电整机的火烧事件竟然是由机内某个铝电解电容器所引起的。随着越来越多的相关质量反馈和案件投诉，一些铝电解电容器制造商开始着手调查研究、力求寻找某种解决方案。从目前掌握的资料来看，日本的"尼吉康（NICHICON）"和"路碧康（RUBYCON）"两大铝电解电容器制造商已先后成功地开发了"难燃烧高压铝电解电容器"，其芯包的UL燃烧等级达到："94-V1"。铝电解电容器的燃烧模式要想搞清铝电解电容器为何会燃烧，首先就要进行燃烧的要素分析。燃烧三要素物体燃烧必须具备三要素：可燃物、氧气供给源、火源。铝电解电容器刚好具备了这三要素。参见图1-1，铝电解电容器芯包的构造和图1-2，铝电解电容器氧化膜的构造。铝电解电容器燃烧三要素见表1。由此可见，铝电解电容器应该是一种易引发燃烧的电子元件！图1-1 铝电解电容器芯包的构造（略）图1-2 铝电解电容器氧化膜的构造（略）表1 铝电解电容器燃烧三要素（略）铝电解电容器的燃烧性研究发现，铝电解电容器既可发生"一次燃烧"也能引发"二次燃烧"：(1) 主动燃烧性：电容器自行点燃直接导致火烧- 以下称"一次燃烧"。(2) 被动燃烧性：电容器自身未发生"一次燃烧"却因其它因素的影响而间接引起周围物体燃烧- 以下称"二次燃烧"。一次燃烧的模式"一次燃烧"是指铝电解电容器在一定的条件下自行发生燃烧，即所谓"主动燃烧性"。（1）火源的形成: 积聚在电容器内的静电能量在一定的条件下可以直接通过电极间飞弧（SPARK）进行火花放电。这种火花便是"火源"。静电能量的公式：W=1/2CV2（C：静电容量，V：充电电压）。它与充电电压的平方成正比，因此，高电压就会大大增加电容器电极上所积聚的静电能量。一般说来，电源输入用电容器因其工作电压较高而容易引起内部火花放电，进而直接引发喷溢中的电解液燃烧。电源输出用电容器却因通常达不到内部火花放电所需的静电能量而很少发生一次燃烧。（2）可燃物:该火源周围因存在有电解液、隔离衬纸以及所产生的氢气等可燃物便很容易起火燃烧。（3）氧气的供给:电容器因发热以及电极间飞弧时的冲击，其内部的压力会急剧上升直至安全阀打开。这时，可燃物因与外部的空气相接触就会被点燃并持续燃烧。安全阀的开口面积越大则氧气的供给量越多，燃烧也就越激烈。反之，开口面积很小以至于可燃物未能飞出并与外部的空气相接触，这时，燃烧就不会继续，至多在飞弧部分留有一点烧损的痕迹而已。二次燃烧的模式"二次燃烧"是指铝电解电容器被外部火源点燃，或者电解液喷涌至附近高电能区域引发短路、飞弧进而起火，即所谓"被动燃烧性"。（1）电解液的泄漏或喷溢: 封口的气密性不良或安全阀打开等情况下，电解液就会从电容器内向外泄漏或喷溢且循路而行至高电能区域（譬如，电路板上的高能部分），引发短路、飞弧，导致电解液起火并进而引发电解液以外的可燃物燃烧。（2）外部火源:电容器周围的可燃物燃烧成为火源，电容器封口材料着火或者电容器因外部热源加热安全阀打开时，电解液外泄被点燃。 燃烧机理及其对策以下就铝电解电容器"一次燃烧"和"二次燃烧"的机理及其安全对策逐一进行阐述。引发一次燃烧的要因及其对策电容器工作时内部发生短路、飞弧形成火源从而引发一次燃烧（可参见照片1）。因此，要想防止一次燃烧就应先解决内部短路问题。以下就短路的要因及其对策进行具体分析。照片1：一次燃烧的实验（对电容器进行过电压实验）电容器芯包的短路问题为了卷成小半径的芯包，电极箔往往会受到较大的机械应力并且芯包内部空间减少。这样，当出现异常应力时，芯包部分将承受更大的压力造成电极箔局部变形进而导致短路的发生。建议对策：缓和、均匀芯包中电极箔的机械应力来防止电极箔部分变形，譬如，芯包中央孔柱应保持规正（上下孔径处处相等）。电容器内引线部分以及电极箔部分的短路问题内引出端端面切口、与引出端铆接的箔条和电极箔剖面的切口都会有毛刺，从而造成相对电极间短路。建议对策：合理地加阔加厚隔离衬纸。电容器氧化膜因绝缘损坏而引起的短路问题氧化膜的耐电压不足和电解液自身的闪火放电都会造成短路。建议对策：适当采用较高形成电压的阳极箔以及合理地提高电解液的闪火电压。电容器因受到异常应力时芯包变形而引起的短路问题因电容器发热芯包膨胀和安全阀打开时的压力冲击，芯包发生变形，导致电极间短路。 建议对策：（1）加强芯包的固定。（2）优化电容器的热设计。（3）提高电容器纹波电流的能力，譬如，适当采用大比容的阴极箔或预形成过的阴极箔。（4）改善电容器的频率特性，通常要求电容器在100KHz时的阻抗小于1 。（5）选用稳定性高的电极箔。检测电极箔稳定性的一个有效的方法就是"斜坡试验（RAMP TEST）"，参见图2所列举的电容器斜坡试验曲线：铝电解电容器"一次燃烧"机理的流程示意图， 如下图3所示图2 铝电解电容器斜坡试验（RAMP TEST）（略）引发二次燃烧的要因及其对策工作电解液是铝电解电容器的真正阴极。从电容器高性能化的角度考虑，往往要求它具有良好的氧化效率、低电阻率和高温稳定性好等特点。目前，因有机酸系电解液其氧化效率和高温稳定性好等特点而被普遍用作铝电解电容器的工作电解液。但是，这类电解液实际上具有强烈的燃烧性。曾对含浸此类电解液的芯包进行过燃烧试验，结果表明：该芯包很容易被点燃并且一经点燃就会猛烈燃烧不止（可参见照片2）。照片2：二次燃烧的实验（参照UL94-V1，对芯包进行燃烧试验）（略）再者，从电容器内向外泄漏或喷溢到电路板高能区的电解液会造成电路板短路、闪火，引发电解液燃烧并点燃其它物体，乃至酿成火灾。或者，电容器内电解液被外部火源引燃。建议对策：改进电解液的燃烧阻缓性能。譬如，采用在100以上会发生"吸热反应"并能释放出水的无机酸系工作电解液。图4表示的是铝电解电容器二次燃烧机理的流程示意图图4 铝电解电容二次燃烧机理的流程示意图(略)防燃烧的应用对策预防电容器"一次燃烧"的应用对策避免使用高压铝电解电容器。譬如，电源输入电容器原设计选用400V-220MF铝电解电容器，为了显著减小电容器电极上积聚的静电能量，则可以改成两个200V-470MF电容器串联。预防电容器"二次燃烧"的应用对策在高压铝电解电容器周围，设法隔断外泄电解液可能循行而至高能区域之通路。譬如，尽可能不要在周围的电路板上打孔，以免电解液流到印刷电路上引发短路、飞弧。电容器规格的选用一般来说，适当选用大电容量的规格有利于提高电容器抗电流的冲击能力。今后的技术课题铝电解电容器的难燃性设计应该同时兼顾到"一次燃烧"和 "二次燃烧"问题。从保护消费者生命财产的高度出发，铝电解电容器制造商也有义务向他们的用户保证其产品有令人满意的安全特性。相信难燃性将会成为今后铝电解电容器的最基本的安全特性要求。按照笔者的个人观点，有关铝电解电容器燃烧问题今后主要还有如下三个技术课题：（1）高性能、难燃性电解液的开发。（2）可逆安全阀（非破坏性结构）电容器的开发。 （3）电容器内部的"灭弧"安全设计。