液體鉭電容器的熱設(shè)計(jì)研究

文雯 趙亮 張理達(dá)

摘要：液體鉭電容器一般采用多孔鉭塊直接浸漬硫酸溶液，并將溶液注入陰極殼內(nèi)部，裝入鉭芯后密封封裝。本文對(duì)其熱設(shè)計(jì)開(kāi)展研究，建立了溫度應(yīng)力模型，開(kāi)展熱仿真計(jì)算和熱測(cè)試，以確定液體鉭電容器散熱措施的有效性。

關(guān)鍵詞：液體鉭電容器;熱仿真計(jì)算;熱測(cè)試;散熱措施。

1引言

氣密封非固體電解質(zhì)鉭固定電容器容量大，可達(dá)40萬(wàn)μF，是貯能首選，因電壓高、漏電流小、耐紋波電流能力強(qiáng)，在電子設(shè)備直流或脈動(dòng)電路中廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是溫度特性較差，且在電子模塊開(kāi)展熱設(shè)計(jì)時(shí)常常被忽略，而成為電子模塊較常見(jiàn)的故障點(diǎn)[1]。

2液體鉭電容器的構(gòu)造

液體鉭電容器內(nèi)部主要為鉭陽(yáng)極、鉭絲、電解液、四氟件、絕緣子等。電容器的陽(yáng)極為鉭陽(yáng)極，鉭陽(yáng)極為圓柱形，采用鉭粉成型燒結(jié)賦能后制備而成。陽(yáng)極表面是陽(yáng)極電化學(xué)氧化形成五氧化二鉭介質(zhì)膜，五氧化二鉭介質(zhì)膜為單向?qū)щ娔ぁｋ娊庖鹤鳛殡娙萜鞯膶?shí)際陰極引出電容量，銀外殼和電解液導(dǎo)通作為產(chǎn)品的負(fù)極。

3氧化膜的損傷

鉭電容陽(yáng)極由鉭金屬、氧化膜組成，氧化膜破壞則產(chǎn)品在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漏電流增大，產(chǎn)品發(fā)熱，進(jìn)而出現(xiàn)擊穿、爆炸現(xiàn)象，如下圖所示。

可能造成氧化膜損傷的因素有：

a）鉭電容器受到機(jī)械應(yīng)力;

b）鉭電容器的超壓使用;

c）鉭電容器受到超過(guò)其承受范圍的溫度沖擊時(shí)，由于不同材料膨脹系數(shù)及硬度的差異可能導(dǎo)致氧化膜產(chǎn)品裂紋等缺陷;

d）鉭電容器有很大的交流紋波電流通過(guò)時(shí)。

鉭電容器發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致介質(zhì)膜晶化，使電容器漏電流增加，發(fā)熱更加嚴(yán)重，氧化膜絕緣性降低，引起失效。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證CAK35型鉭電容器做電源模塊輸入端濾波時(shí)的發(fā)熱情況，其使用溫度范圍為-55℃～+125℃。由于紋波電流大導(dǎo)致電容器表面溫度超過(guò)130℃，電容器工作不超過(guò)3h后失效。改為多只并聯(lián)設(shè)計(jì)，電容器溫升降低，工作正常。將電路板通過(guò)安裝凸臺(tái)固定至散熱板。

4.1建立仿真數(shù)模

進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化后，建立比較準(zhǔn)確且可分析的CFD數(shù)字模型。進(jìn)行熱測(cè)試，并按測(cè)試條件開(kāi)展熱仿真分析，將修正仿真分析模型之后的溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，誤差滿足要求，表明溫度應(yīng)力分析采用的模型準(zhǔn)確。

4.2調(diào)整元器件布局

根據(jù)元器件功耗，進(jìn)行3版方案預(yù)布局的熱仿真對(duì)比分析，對(duì)比數(shù)據(jù)如下表所示。

發(fā)熱元器件的位置排布對(duì)鉭電容器的溫升影響較小。

4.3提升電路板散熱

提升電容安裝處印制板局部的散熱條件，開(kāi)展熱測(cè)試，結(jié)果如下表所示。

4.4降低負(fù)載

分別在電源模塊半載輸出和滿載輸出時(shí)，進(jìn)行熱測(cè)試，結(jié)果如下表所示。

降低負(fù)載可有效降低鉭電容器的溫升。

4.5提升散熱板效果

將電子模塊置入側(cè)壁液冷機(jī)箱，控制冷卻液溫度，開(kāi)展熱測(cè)試，結(jié)果如下表所示。

隨著工作環(huán)境溫度的升高，鉭電容器發(fā)熱量加劇提升。

5結(jié)論

通過(guò)分析可知：

a）采用多只并聯(lián)設(shè)計(jì)，可以有效降低電容器的溫升;

b）并聯(lián)電容器并列排布時(shí)，電容器組的溫度沿徑向呈正態(tài)分布;

c）靠近散熱板的電容器溫度低于遠(yuǎn)離散熱板的電容器;

d）提升電路板散熱能力、降低負(fù)載等改善鉭電容器工作環(huán)境的措施可以有效降低電容器的溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶帥，胡小海. 型號(hào)設(shè)備用鉭電解電容器可靠性研究[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2018，01：34-38.

作者簡(jiǎn)介：文雯（1985-），女，工程師，主要從事機(jī)載、彈載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。