液体钽电容器的热设计研究

文雯 赵亮 张理达

摘要：液体钽电容器一般采用多孔钽块直接浸渍硫酸溶液，并将溶液注入阴极壳内部，装入钽芯后密封封装。本文对其热设计开展研究，建立了温度应力模型，开展热仿真计算和热测试，以确定液体钽电容器散热措施的有效性。

关键词：液体钽电容器;热仿真计算;热测试;散热措施。

1引言

气密封非固体电解质钽固定电容器容量大，可达40万μF，是贮能首选，因电压高、漏电流小、耐纹波电流能力强，在电子设备直流或脉动电路中广泛应用。其缺点是温度特性较差，且在电子模块开展热设计时常常被忽略，而成为电子模块较常见的故障点[1]。

2液体钽电容器的构造

液体钽电容器内部主要为钽阳极、钽丝、电解液、四氟件、绝缘子等。电容器的阳极为钽阳极，钽阳极为圆柱形，采用钽粉成型烧结赋能后制备而成。阳极表面是阳极电化学氧化形成五氧化二钽介质膜，五氧化二钽介质膜为单向导电膜。电解液作为电容器的实际阴极引出电容量，银外壳和电解液导通作为产品的负极。

3氧化膜的损伤

钽电容阳极由钽金属、氧化膜组成，氧化膜破坏则产品在使用过程中会出现漏电流增大，产品发热，进而出现击穿、爆炸现象，如下图所示。

可能造成氧化膜损伤的因素有：

a）钽电容器受到机械应力;

b）钽电容器的超压使用;

c）钽电容器受到超过其承受范围的温度冲击时，由于不同材料膨胀系数及硬度的差异可能导致氧化膜产品裂纹等缺陷;

d）钽电容器有很大的交流纹波电流通过时。

钽电容器发热严重时可能导致介质膜晶化，使电容器漏电流增加，发热更加严重，氧化膜绝缘性降低，引起失效。

4试验验证

验证CAK35型钽电容器做电源模块输入端滤波时的发热情况，其使用温度范围为-55℃～+125℃。由于纹波电流大导致电容器表面温度超过130℃，电容器工作不超过3h后失效。改为多只并联设计，电容器温升降低，工作正常。将电路板通过安装凸台固定至散热板。

4.1建立仿真数模

进行必要的简化后，建立比较准确且可分析的CFD数字模型。进行热测试，并按测试条件开展热仿真分析，将修正仿真分析模型之后的温度应力分析结果与热测试结果进行了对比，误差满足要求，表明温度应力分析采用的模型准确。

4.2调整元器件布局

根据元器件功耗，进行3版方案预布局的热仿真对比分析，对比数据如下表所示。

发热元器件的位置排布对钽电容器的温升影响较小。

4.3提升电路板散热

提升电容安装处印制板局部的散热条件，开展热测试，结果如下表所示。

4.4降低负载

分别在电源模块半载输出和满载输出时，进行热测试，结果如下表所示。

降低负载可有效降低钽电容器的温升。

4.5提升散热板效果

将电子模块置入侧壁液冷机箱，控制冷却液温度，开展热测试，结果如下表所示。

随着工作环境温度的升高，钽电容器发热量加剧提升。

5结论

通过分析可知：

a）采用多只并联设计，可以有效降低电容器的温升;

b）并联电容器并列排布时，电容器组的温度沿径向呈正态分布;

c）靠近散熱板的电容器温度低于远离散热板的电容器;

d）提升电路板散热能力、降低负载等改善钽电容器工作环境的措施可以有效降低电容器的温度。

参考文献：

[1]陶帅，胡小海. 型号设备用钽电解电容器可靠性研究[J]. 电子产品可靠性与环境试验，2018，01：34-38.

作者简介：文雯（1985-），女，工程师，主要从事机载、弹载计算机结构设计工作。