在電力電子電路中，不管是逆變器還是整流器輸入級都需要大容量的支撐電容提供脈動電流。對于大功率電路而言，支撐電容的容量較大，電解電容是比較常用的大容量功率電容。

1、電解電容的基本原理和結構

我們最初學習電容器的原理的對象基本都是平板電容器，在兩個平板之間放入電介質，這就構成了最簡單一個電容器。并且有 平板式電容計算公式：C=ε *ε0* S/d; 式中：電容C，單位F；ε 相對介電常數；ε0真空介電常數8.86×10（-12方）單位F/m；面積S，單位平方米；極板間距d，單位米。根據公式，可以看出：如果需要增加電容器的容量，在電介質不變的情況下，需要增加平板的面積，縮小平板之間的間距。電解電容在結構上就是將平板電容器卷起來以獲得足夠大的容量，市面上鋁電解電容產品的容量一般在0.47uF~10000uF。

1.1 基本結構

平板電容器模型電介質一般都采用固態電介質，依靠電荷的極化來儲存能量，電解電容內含有液態電解液。離子是導電的，因此需要一個絕緣的隔膜進行“絕緣處理”。這就是陽極的化成處理，可以簡單認為將Al的表面進行氧化處理，獲得不導電的Al2O3。這個陽極氧化層的厚度決定了電容的耐壓并且充當電容器的電介質。而陰極不做處理，只自然氧化形成很薄的Al2O3，可以認為和純鋁沒有區別。陰極氧化層的耐壓非常低，常溫下大約在1~1.5V，因此鋁電解電容禁止反接電壓。

如圖1-1、1-2所示，陽極和陰極中間夾著浸滿電解液的隔離紙。卷成圓柱狀后通過鋁殼封裝，并在鋁殼上方壓制出防爆閥，用于失效時反應氣體的排放。

圖1-1 電解電容疊層

圖1-2 電解電容外殼封裝

1.2 電容的充放電與自修復反應

如圖1-3，當陽極加正電壓，陰極加負電壓，陽極中金屬Al的電子被拉到陽極，靠近氧化層的Al失去電子形成Al3+離子。中間的氧化層Al2O3不導電，因此O2-離子無法進入陽極和Al3+離子發生氧化反應。正離子沿著電場的方面，負離子逆著電場的方面移動。正離子集中在陽極，負離子集中在陰極，形成電荷能的存儲。當電場消失，正負離子恢復到原始位置，電場能量被釋放。

鋁電解電容有一個有趣的自修復功能：如果電容的氧化層老化，絕緣耐壓變低，電解電容能夠通過自身的電解液反應重新將氧化層進行修復。如圖1-4所示，在電場的作用下，缺失的氧化層通過陽極的Al3+離子和O2-離子的氧化反應生成新的Al2O3氧化層。需要注意的是，這種修復反應不能太劇烈，如果電壓過高，擊穿氧化層，產生大量的氧化還原反應，會釋放出大量的H2氣體，從而引起電容爆炸。

同樣的，陰極也存在氧化層（自然形成），這個氧化層非常脆弱，很小的反向電壓就能擊穿。擊穿后的“陰極”（加上了正電壓），發生劇烈的氧化反應，“陽極”氧化層附近發生還原反應，產生H2，引發爆炸。

圖 1-3 電解電容中電荷的移動

圖 1-4 自修復反應

2.1 電解電容的耐壓

電解電容的耐壓受到氧化層厚度的影響，如果電壓過高會擊穿氧化層：電解液將和陽極鋁發生氧化反應，陰極則會發生還原反應，最終引起電容“爆漿”。一般選擇電容的耐壓需要大于最高母線電壓的1.25倍。

2.2 電解電容的容量

電解電容的容量影響電容的提供脈動電流的能力，在功率電路中需要電容容量滿足功率輸出。由于電解電容較大的ESR，常常需要多個電容進行并聯使用，使用的容量會遠大于計算需要的容量。

2.3 電解電容的溫度和壽命計算

電容的溫度和壽命有最直接的關系，因為鋁電容的電解液會逐漸揮發而導致電容減小甚至失效，隨溫度升高揮發速度加快。溫度每升高10℃，電解電容的壽命會減半。

2.4 電解電容的耐紋波電流、電壓以及ESR

電解電容的耐紋波電流是根據電容的自發熱和散熱能力進行界定的，ESR越大的電容，相同紋波電流下損耗越大。損耗一方面影響電路的轉化效率，另外一方面也加大了電容的損耗，引起電容內部溫度的升高。

2.5 封裝和尺寸

電解電容的尺寸較大，在大功率能量轉換系統中，需要綜合考慮電容的尺寸和散熱，以及和整機結構的關系。

3、電路應用設計要點

3.1 損耗角和ESR計算

電解電容在充放電的過程中，由于電荷在運動過程中的摩擦會存在一定的能量損失，這個被電容內部消耗的能量通常采用損耗角進行標注。如圖3-1所示，理想條件下，電容電流應該超前電壓90°，損耗角的存在導致電流的超前角（π/2-δ）減小了。如果將電容的阻抗分量分解為電阻分量R和容抗分量Xc，那么他們之間存在一個夾角δ，這角度δ和阻抗的角度是一致的（忽略等效電感ESL）。如圖3-2，可以計算出tanδ=R/Xc=2πfCR（式3-1）。

如圖3-5，電解電容除了電容和等效電阻ESR，還有等效電感ESR，主要由其金屬箔和引線組成。隨著頻率的升高，電容的特性就“短路”了，感抗分量開始上升，阻抗特性曲線如圖3-6。在進行功率電容計算中，一般可以忽略ESL，因為拐點頻率一般都很高（5~10MHz），功率譜在該頻率點衰減已經十分小了。但是，在電容應用的濾波電路中，這個寄生參數的ESL就顯得很重要，尤其是在高頻電子線路應用中.

紋波電流和ESR的關系非常密切，同時紋波電流能夠在ESR上引起電容的自發熱，如果發熱嚴重還會影響到電容的使用壽命。頻率升高，ESR下降，紋波電流就越容易流過，所以規格書一般會給出rated ripple 和 頻率修正系數，如圖3-7 所示：

3.4 壽命評估

影響到電解電容的壽命最主要的因素是其電解液的壽命，隨著時間增加，電解液會蒸發，并且溫度越高蒸發的速度越快。隨著電解液的蒸發，電容的容量減小，損耗角增加。圖3-8 所示，鋁電解電容的劣化故障（電解液蒸發）和故障率之間的關系。圖3-9 所示，電解液對電容特性的影響。

溫度每升高10℃，電解電容的壽命會減半，圖3-10 公式所示：Tmax，L0是規格書給出的預估壽命和溫度條件，Ta是電容實際的工作溫度。一般規格書中，會給出105℃條件下的壽命（2000hours），根據這個基準結合電容環境溫度和電容自熱溫度進行壽命評估。

下面列舉了一些電解電容應用過程中常用的降額參數，可供大家在進行電路設計的時候進行參考。

額定電壓：選擇電壓大于最大母線電壓的1.25倍

電容容量：系統額定工況下，母線電壓波動不超過±5%，進行容量計算

紋波電流：系統額定工況下，紋波電流不超過額定值的85%

自熱溫度：一般要求不超過5℃

電容壽命：根據系統壽命要求進行評估