基本原理和结构-toc" style="margin-left:0px;">1.电解电容器的基本原理和结构
1.1 基本结构
1.2 电容器的充放电和自修复反应
2.电解电容器的主要参数
2.1 电解电容的耐压性
2.2 电解电容的容量
2.3 计算电解电容器的温度和寿命
2.4 电解电容器的抗纹波电流、电压和电压ESR
2.5 封装和尺寸
3.电路应用设计要点
3.1 损耗角和ESR计算
3.2 阻抗特性
3.3 纹波电流
3.4 寿命评估
3.5 一般电容应用指标
参考资料：
在电力电子电路中，逆变器和整流器的输入水平都需要大容量的支撑电容来提供脉动电流。对于大功率电路，支撑电容的容量较大，电解电容是一种常用的大容量功率电容。
1.电解电容器的基本原理和结构
我们最初学习电容器原理的对象基本上是平板电容器，将电介质放入两个平板电脑之间，这构成了最简单的电容器。并且有 平板电容计算公式：C=ε *ε0* S/d; 式中： 电容C，单位F； ε 相对介电常数； ε真空介电常数8.86×10（-12方）单位F/m； 面积S，单位平方米； 极板间距d，单位米。根据公式，如果需要增加电容器的容量，在电介质不变的情况下，需要增加平板面积，缩小平板间距。电解电容器的结构是卷起平板电容器以获得足够大的容量，市场上铝电解电容器产品的容量一般为0.47uF~10000uF。
1.1 基本结构
平板电容模型电介质一般采用固态电介质，依靠电荷极化来储存能量，电解电容含有液态电解质。离子是导电的，所以需要绝缘隔膜进行绝缘处理。这是阳极的化成处理，可以简单地认为是Al氧化表面，无导电Al2O3。阳极氧化层的厚度决定了电容器的耐压性和电介质。阴极不处理，只自然氧化形成很薄Al2O3.可以认为与纯铝没有区别。阴极氧化层的耐压性很低，室温约为1~1.5V，因此，禁止铝电解电容反接电压。
如图1-1、1-2所示，阳极和阴极之间夹一张充满电解质的隔离纸。卷成圆柱形后，用铝壳包装，在铝壳上方压制防爆阀，以反映故障时气体的排放。
1.2 电容器的充放电和自修复反应
如图1-3所示，当阳极加正电压，阴极加负电压，阳极中金属Al电子被拉到阳极，靠近氧化层Al失去电子形成Al3 离子。氧化层中间Al2O因此，不导电O2-离子不能进入阳极和Al3 氧化反应发生在离子上。正离子沿电场方向移动，负离子逆电场方向移动。正离子集中在阳极，负离子集中在阴极，形成电荷能的储存。当电场消失时，正负离子恢复到原始位置，电场能量释放。
铝电解电容有一个有趣的自修复功能：如果电容的氧化层老化，绝缘耐压变低，电解电容能够通过自身的电解液反应重新将氧化层进行修复。如图1-4所示，在电场的作用下，缺失的氧化层通过阳极Al3 离子和O2-离子的氧化反应产生新的Al2O3氧化层。需要注意的是，这种修复反应不能太剧烈。如果电压过高，打破氧化层，产生大量的氧化还原反应，就会释放大量的氧化还原反应H气体，导致电容爆炸。
同样，阴极也有氧化层（自然形成），非常脆弱，反向电压很小。击穿后的阴极（加上正电压）发生剧烈的氧化反应，在阳极氧化层附近发生还原反应H二、引发爆炸。
2.电解电容器的主要参数
2.1 电解电容的耐压性
电解电容器的耐压性受氧化层厚度的影响。如果电压过高，它会突破氧化层：电解质会与阳极铝发生氧化反应，阴极会发生还原反应，最终导致电容器爆浆。一般来说，电容器的耐压性大于最高母线电压的1.25倍。
2.2 电解电容的容量
电解电容的容量影响电容的提供脉动电流的能力，在功率电路中需要电容容量满足功率输出。由于电解电容较大的ESR，常常需要多个电容进行并联使用，使用的容量会远大于计算需要的容量。
2.3 电解电容的温度和寿命计算
电容的温度和寿命有最直接的关系，因为铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。温度每升高10度，电解电容的寿命会减半。
2.4 电解电容的耐纹波电流、电压以及ESR
电解电容的耐纹波电流是根据电容的自发热和散热能力进行界定的，ESR越大的电容，相同纹波电流下损耗越大。损耗一方面影响电路的转化效率，另外一方面也加大了电容的损耗，引起电容内部温度的升高。
2.5 封装和尺寸
电解电容的尺寸较大，在大功率能量转换系统中，需要综合考虑电容的尺寸和散热，以及和整机结构的关系。
3、电路应用设计要点
3.1 损耗角和ESR计算
电解电容在充放电的过程中，由于电荷在运动过程中的摩擦会存在一定的能量损失，这个被电容内部消耗的能量通常采用损耗角进行标注。如图3-1所示，理想条件下，电容电流应该超前电压90°，损耗角的存在导致电流的超前角（π/2-δ）减小了。如果将电容的阻抗分量分解为电阻分量R和容抗分量Xc，那么他们之间存在一个夹角δ，这角度δ和阻抗的角度是一致的（忽略等效电感ESL）。如图3-2，可以计算出tanδ=R/Xc=2πfCR（式3-1）。
这里我们将损耗等效在一个电阻上，如图3-3等效电阻特性曲线。这个电阻一般由三个部分组成：1、氧化层的绝缘损耗，主要由于极化过程中的迟滞损耗，随着频率的增加而减小；2、电解液的内阻，受温度和频率影响较大；3、电解电容内部金属导体等效电阻（引线，铝箔），该部分电阻和金属电阻特性一致。一般在电解电容的规格书给出的是在120Hz测试获得的损耗角（图3-4），在实际的开关电源或者逆变系统中开关频率较高（>10KHz）,需要按照式3-1计算出在该频率条件下的等效ESR。
3.2 阻抗特性
如图3-5，电解电容除了电容和等效电阻ESR，还有等效电感ESR，主要由其金属箔和引线组成。随着频率的升高，电容的特性就“短路”了，感抗分量开始上升，阻抗特性曲线如图3-6。在进行功率电容计算中，一般可以忽略ESL，因为拐点频率一般都很高（5~10MHz），功率谱在该频率点衰减已经十分小了。但是，在电容应用的滤波电路中，这个寄生参数的ESL就显得很重要，尤其是在高频电子线路应用中，这里就不展开了，感兴趣可以参考文献3。
3.3 纹波电流
纹波电流和ESR的关系非常密切，同时纹波电流能够在ESR上引起电容的自发热，如果发热严重还会影响到电容的使用寿命。频率升高，ESR下降，纹波电流就越容易流过，所以规格书一般会给出rated ripple 和 频率修正系数，如图3-7 所示：
3.4 寿命评估
影响到电解电容的寿命最主要的因素是其电解液的寿命，随着时间增加，电解液会蒸发，并且温度越高蒸发的速度越快。随着电解液的增发，电容的容量减小，损耗角增加。图3-8 所示，铝电解电容的劣化故障（电解液蒸发）和故障率之间的关系。图3-9 所示，电解液对电容特性的影响。
温度每升高10度，电解电容的寿命会减半，图3-10 公式所示：Tmax，L0是规格书给出的预估寿命和温度条件，Ta是电容实际的工作温度。一般规格书中，会给出105℃条件下的寿命（2000hours），根据这个基准结合电容环境温度和电容自热温度进行寿命评估。
3.5 电容应用的一般指标
下面列举了一些电解电容应用过程中常用的降额参数，可供大家在进行电路设计的时候进行参考。 选择电压大于最大母线电压的1.25倍
系统额定工况下，母线电压波动不超过±5%，进行容量计算
系统额定工况下，纹波电流不超过额定值的85%
一般要求不超过5℃ 电容寿命：根据系统寿命要求进行评估
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参考资料：
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https://www.rubycon.co.jp/wp-content/uploads/products-aluminum/al-technical-note_en.pdf
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https://industrial.panasonic.com/content/data/CP/PDF/Alumi/Alumi_TechnicalGuide_c.pdf
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https://industrial.panasonic.com/content/data/common/ss-files/lc_filter_TechnicalInfo_c.pdf
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http://industrial.panasonic.com/content/data/CP/PDF/OS-CON/OS-CON_TechnicalGuide_c.pdf