一種電解容器脈沖老練機的研制

黃穎輝

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，南通 226019）

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一種電解容器脈沖老練機的研制

黃穎輝

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，南通 226019）

摘 要：本文簡要介紹電解電容器的生產(chǎn)原理，設(shè)計了一款基于脈沖電源的電容器老練機。這種老練機能夠顯著提高鋁氧化膜的修復(fù)效果，提高生產(chǎn)效率。通過實驗，此方案能夠?qū)⒗暇殨r間縮短45%，且顯著改善了電容器的壽命和電性能，具有良好的經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：老練機 電解電容器 脈沖控制 電源

引言

在鋁電解電容器中，老練過程是非常重要的一個環(huán)節(jié)。只有經(jīng)過老練，產(chǎn)品的抗腐蝕性能、電性能和安全性才能得到質(zhì)的提高。但是，傳統(tǒng)的老練工藝耗時長，產(chǎn)品質(zhì)量不能保證，且工藝中采用的電源電壓必須從低電壓開始，慢慢升高，既費時有費力，最后取得的結(jié)果也不盡人意。針對這些缺陷，人們開發(fā)了基于脈沖電源的電解電容器老練工藝。該工藝采用低壓階段性方法自動進行氧化膜的生長，大大縮短了老練消耗的時間，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量。本文在研究傳統(tǒng)老練機工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種基于脈沖電源的電解電容器老練方法，并設(shè)計相應(yīng)的脈沖控制系統(tǒng)。通過實驗驗證，該方法能夠顯著改善老練時間，提高產(chǎn)品壽命，應(yīng)用前景廣闊。

1 脈沖老練機的工作原理

1.1 氧化膜修復(fù)機制

在電解電容器的生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)工藝中的切箔、鉚釘穿刺和卷繞工序會對電極氧化膜造成損傷。如果單純依靠電解電容器本身的自然氧化反應(yīng)，很難達到修復(fù)的目的［1-2］。老練過程也就是所謂的化成工藝，是在電解液中進行。在一定的電壓和電流作用下，鋁金屬作為陽極，在溶液中生成正3價的Al離子，然后與氧離子結(jié)合成固態(tài)的Al2O3，同時在石墨陰極生成H2。傳統(tǒng)工藝在進行電解操作時會消耗大量的電力能源，因此實際的經(jīng)濟效益并不明顯。

1.2 脈沖老練效率改善的原因

為了解決傳統(tǒng)老練工藝中存在的種種問題，工業(yè)界開發(fā)了脈沖電源控制的老練工藝。實際使用發(fā)現(xiàn)，此項工藝能夠節(jié)約大量電能，同時改善產(chǎn)品質(zhì)量。

改進后的脈沖老練工藝具備如下的幾個優(yōu)勢：

（1）電解液中負離子的濃度會保持相對恒定的水平。傳統(tǒng)的直流電源老練機，由于電力作用時間長，鋁氧化膜的生成速度很快，從而導(dǎo)致溶液中的鋁離子消耗過快而對后期的氧化修復(fù)作用有限；而脈沖老練能夠讓溶液始終保持較高的鋁離子濃度［3］；

（2）采用脈沖電源的老練工藝能夠使損傷孔中的氣泡迅速擴散到溶液中，從而使生成的氧化膜厚度更加均勻，提高產(chǎn)品的良品率。在氣泡溢出的瞬間，為了始終讓電解液和鋁容器的破損表面保持接觸，脈沖信號的頻率需要不斷調(diào)整，以便能找到最優(yōu)的一組值；

（3）脈沖電流能夠活化溶液中的鋁離子和氧離子。在老練過程中，氧化膜會變得更加厚實，不容易脫落。因為脈沖電源信號在破損處局部加熱了電解液，離子的擴散速度達到了較高水平，這個過程加速了氧化膜的生長速度。

2 脈沖控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

基于脈沖電源的電解電容老練機系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包含輸入、控制和執(zhí)行三大子系統(tǒng)。在輸入模塊中，設(shè)計了撥碼開關(guān)、功能開關(guān)和隔離單元。其中，隔離單元的主要功能是消除外部的干擾信號。系統(tǒng)控制單元包含有時鐘產(chǎn)生電路、JTAC、指示燈控制和CPU。在老練工藝生產(chǎn)過程中，控制模塊就是通過產(chǎn)生脈沖控制信號，控制執(zhí)行單元產(chǎn)生一定頻率的電壓和電流，從而不斷地在容器表面生長氧化膜，同時降低漏電流的消耗。邏輯主控CPU的核心由格雷碼時序發(fā)生器構(gòu)成，系統(tǒng)會自動產(chǎn)生八個狀態(tài)位，每個狀態(tài)分別對應(yīng)充放電操作的控制［4-5］。八個狀態(tài)的功能分別對應(yīng)如下：總時間復(fù)位信號、置充電時間、置充電時間高位值、充電狀態(tài)、懸空操作、置放電時間低位狀態(tài)、置放電時間的高位狀態(tài)、放電時間。

圖1 基于脈沖電源的電解電容老練機系統(tǒng)框圖

具體工作流程如下：首先，判斷置總時間狀態(tài)，由控制單元發(fā)出讀取信號，分別讀取相應(yīng)撥碼位上的開關(guān)數(shù)據(jù)，而上述操作只在整機復(fù)位時重復(fù)進行；在置充電時間狀態(tài)時，控制單元會產(chǎn)生讀充電時間的脈沖信號，以讀取系統(tǒng)設(shè)置的充電時間；在充電狀態(tài)時，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號，對老練機的脈沖電源保護電容進行充電操作；最后根據(jù)置放電時間狀態(tài)，讀取面板上相應(yīng)撥碼位開關(guān)信號，并限定對應(yīng)的放電時間。

表1 105℃，1000 h負荷壽命試驗

表2 105℃，1000 h高溫漏電流試驗

2.2 脈沖控制電源設(shè)計

為了達到較高的脈沖頻率，需要對電源進行特殊設(shè)計，如圖2所示，為老練機采用的脈沖電源原理圖。本設(shè)計采用的電源要達到非常高的頻率，才能顯著降低老練機的作業(yè)時間［6］。圖2中的脈沖電源包含了計算機控制模塊、電壓控制振蕩模塊、占空比控制電路和開關(guān)驅(qū)動電路。每個模塊之間必須相互配合，才能對電源的輸出電壓頻率可調(diào)，同時輸出幅度可調(diào)。本文設(shè)計的脈沖電源能夠輸出0～600V的可調(diào)電壓，頻率調(diào)控范圍為0～5000Hz，整體的最大輸出功率能夠達到30kW。

圖2 脈沖電源原理圖

2.3 保護單元設(shè)計

由于電解電容器老練機的電源要求非常高，需要設(shè)計電源保護系統(tǒng)。電源保護電路的原理圖，如圖3所示。首先，在電源終端建立分壓采樣電路，通過總線系統(tǒng)和現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測電源的運行狀態(tài)，且保護電路需要與PLD系統(tǒng)光電隔離，以避免引入干擾。

圖3 電源保護原理圖

3 實驗結(jié)果分析

本實驗所采用的電解電容器型號為CD18（105℃，普通型）400V33uF，電容器的整體尺寸為16mm×25mm，容器的陽極箔電壓為Vf=530V。此外，還需要電解液和其他材料，實驗工藝無其他特殊要求。

首先，對烤箱中的2000只電解電容器分別用本文研制的脈沖電源和常規(guī)直流電壓源進行老練。實驗設(shè)定的脈沖老練工藝操作流程是首先室溫升壓1.0h，然后高溫1.0h，最后室溫老練0.5h，總共2.5小時。另一組參照實驗采用常規(guī)老練工藝，具體操作流程為：首先室溫環(huán)境升壓5h（分段老練法）），然后高溫老練4h，總共耗時9小時。在兩組實驗老練完后，隨機抽樣10只樣品作為一組，分別進行105℃、1000h的負荷壽命試驗，然后進行溫度105℃、1000h的高溫漏電流試驗。實驗中記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

上述表1、表2中的數(shù)據(jù)分別是10只樣品的平均值。從壽命試驗的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，兩種老練法都能滿足105℃1000h的性能要求。通過兩組實驗比較，還驗證了脈沖老練法能夠?qū)鹘y(tǒng)的老練時間從11小時降低到2.5小時，充分說明了脈沖老練法能夠有效提高生產(chǎn)效率。另外，兩種老練法的電容器樣本除了初始參數(shù)不一樣外，脈沖法的漏電流獲得了明顯降低，其他參數(shù)則都不相上下。在高溫貯存壽命測試后，電容器的漏電流和高溫漏電流參數(shù)相較于脈沖法都要小得多，說明脈沖老練法不僅能縮短老練時間，而且在提高修補氧化膜的質(zhì)量上具有明顯的優(yōu)勢。

4 性能比較及改進措施

與傳統(tǒng)老練法比較，脈沖電源老練法的初始電極的漏電流要更高。這主要是因為鋁箔的接觸面腐蝕微孔在老練時不會殘留氣體形成隔離氣膜，能夠與電容器良好接觸，在直流電源老練時，局部的環(huán)境不利于氣泡的溢出。這種缺陷不但影響正常鋁氧化膜的生長和修復(fù)，而且會造成漏電流不能準(zhǔn)確測定。由于這些局部氣膜比氧化膜的絕緣性要好，因此直流電源老練法的漏電流較低。但是，隨著時間的推移和溫度的上升，這些氣膜會慢慢消退，這時漏電流會明顯增長。而脈沖老練法在初始階段就通過大的脈沖電流對局部的氣泡形成沖擊，可使局部不容易積聚氣泡，因此瞬間的漏電流較大，但是這能夠促進氧化膜的生長。最后，通過高溫負荷壽命試驗發(fā)現(xiàn)，缺陷處的孔底氣膜可迅速消退，孔底的氧化膜能同時在脈沖電壓作用下得到快速修復(fù)，從而大大降低了氧化膜生長消耗的時間。

5 總結(jié)

本文在總結(jié)傳統(tǒng)老練機的工藝局限后，提出了基于脈沖老練法的電解電容器氧化膜生長方法。通過對實驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，該方法消耗的時間只有傳統(tǒng)直流電源老練法的1/4，因此具有非常明顯的成本優(yōu)勢，應(yīng)用前景誘人。

參考文獻

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Development of An Electrolytic Vessel Pulse Aging Machine

HUANG Yinghui
（School of electronic inform ation， Nantong Univers ity，Nantong 226019）

Abstract:The traditional electrolytic capacitor aging machine production efficiency is low， the environm ental pollution is big， need to improve. In this paper， the production principle of electrolytic capacitor is introduced， and a capacitor aging machine based on pulse power supply is designed. This aging machine can significantly improve the repair effect of alum inum oxide film and improve the production efficiency. T hrough experiments，this method can the tact time from 10 hours down to a few hours and significantly improved the life and electrical property of the capacitor， reduce material costs for about 10% of a high voltage capacitor， has good economic value.

Key words:aging machine， electrolytic capacitor， puls e control， power supply

基金項目：江蘇省政策引導(dǎo)類計劃（產(chǎn)學(xué)研合作）——前瞻性聯(lián)合研究項目《隧道式電解容器脈沖老練機的研制》（BY2015047-08）。