何霄云，杨波，丰骏，徐永华，朱羽

南通江海电容器股份有限公司，江苏南通，226361

0 引言

近年来，国家对家用电器的能耗等级进行了严格管理，变频洗衣机得到快速发展，但在实际应用中，由于印度、东南亚等地电网波动比较大，客观存在电网瞬间过电压现象，同时，由于洗衣机在启动瞬间会产生非常高的尖峰电压，因此，对于控制器BULK用铝电解电容器就有非常高的要求[1]。传统450V产品耐过电压能力比较差，市场失效率非常高，特别是洗衣机一般都安放在室内，一旦出现火灾，其后果不堪设想。笔者通过对铝电解电容器正极箔、电解纸、防爆铝壳及电解液的研究，研究了专门针对变频洗衣机控制器BULK用铝电解电容器防火灾的设计，可以满足这个行业的特殊需求。

1 产品特点及解决措施

产品的设计可通过以下措施实现：（1）正极箔化成体系一般需要采用硼酸体系为主，混合酸不适合使用，同时需要在最后阶段增加磷酸处理，降低化成箔的漏电流；（2）电解纸耐电压高，杂质含量少，与电解液组合后的等效串联电阻小；（3）铝壳底部防爆阀压力比普通铝壳增加20%；（4）电解液闪火电压高，具有较高的电导率，形成效率快，高温下耐压稳定；（5）采用5kg以上液压式含浸工艺，减少含浸时间；（6）采用多级分段的高温老化方式，提高老化效率，降低产品的漏电流。

2 产品研制

2.1 正极箔的选择

正极箔是铝电解电容器的最关键材料之一，其性能直接影响铝电解电容器的寿命。洗衣机属于消费类产品，其市场价格竞争激烈，传统产品采用的正极箔一般均为混合酸工艺，其特点是单位面积的容量比较高，强度也比较好，但是缺点是产品固有的介质损耗比较大，漏电流也比较大，因此，承受瞬间过电压的能力就比较差。本次新产品采用的化成箔的化成工艺为一种特殊设计的化成工艺（硼酸+磷酸化成），其主要区别如图1所示。

图1 硼酸+磷酸与普通硼酸化成工艺对比

结构特点比较如下。

（1）该化成箔的水合膜厚度小。因为水合膜属于较大分子结构，低频下交流极化损耗大，因此，在低频下该化成箔比普通硼酸化成箔具有更低的交流发热。

（2）该化成箔的非晶膜厚度较大。非晶膜的特点是密度低、漏电流小、介质损耗小，但耐压强度稍低（18～21Å/V）。

（3）在高温、高压试验以后，部分厚度的非晶膜转化为结晶膜，耐压强度上升，这正是耐过电压应用所需要的。

2.2 电解纸的选用

传统的高压电解纸材质一般为木材纤维，其吸水性相对较差，浸渍电解液时不容易渗入，且ESR比较高，在长期高温下工作，产品内部容易发热，如果再存在过电压时就更加容易导致内部蒸气压剧烈上升，最终产品鼓起、释放出大量电解液气体，这是变频洗衣机产品不允许出现的现象。

经过大量试验，我们选用了一种新型电解纸，这种电解纸采用两层电解纸通过特殊的黏合剂复合而成，一层是高密度纯木浆纸，其主要作用是防毛刺，另外一层是采用棉+麻制作而成的高纯度纸，其主要作用是吸收电解液，这种复合电解纸纯度高，吸水性是传统的两倍，电解液很容易渗透，大幅缩短了浸渍时间，又因为是两层纸黏合组成结构，耐电压能力特别高，并且电解液浸润性好、等效串联电阻小，具体参数对比如表1所示。

表1 两种电解纸参数对比

2.3 底部防爆阀形状及压力的选用

传统防爆阀的形状一般为“Y”或者“+”型，其释放点一般在圆的中心点，具体见图2、图3，防爆压力一般在1.2±0.2MPa。

图2 Y 型防爆

图3 ＋型防爆

针对变频洗衣机控制器BULK用铝电解电容器的特殊性，我们对防爆铝壳的防爆形状及防爆压力进行了特殊设计，具体如图4，防爆压力提高至1.6±0.2MPa。

图4 米型防爆

图4铝壳设计的优点在于：当防爆释放点偏移圆心时，即使产品内部产生同样压力的气体，但是产品底部鼓起的程度会不一样，同时，由于防爆压力也进行了提升，这样电容器在承受过电压时，也不容易底部释放。

2.4 电解液的研制

电解液是铝电解电容器的实际阴极，是铝电解电容器关键材料之一。电容器要能承受瞬间的过电压，要求电解液的闪火电压必须很高的同时对形成介质氧化膜的氧化效率要强，而且高温下耐压稳定性好，电导率较高[2]。

研制小组从以下几个方面进行了改良。

（1）电解液以乙二醇为主溶剂，添加少量二甘醇作为辅助溶剂；溶质选择大分子20～30个碳主链1～2个侧支链、并有多个羧基官能团的有机羧酸铵盐来稳定高温闪火电压。

（2）采用了新型复合吸氢剂，既能够吸收电容器产品在老化过程中产生的氢气，又能吸收在过压过程中电化学反应产生的新氢气，这样能够避免电容器内压的上升而造成的电容器变形。

（3）为了能快速修复氧化膜存在的缺陷，添加了少量次磷酸盐，可以大幅降低产品内部发热引起的漏电流回升。

经过多次试验，研制出的电解液闪火电压高，黏度适中，电导率较高。其配方见表2，电解液有关参数见表3。

表2 电解液配方

表3 电解液参数表

3 试验方法及试验结果

3.1 试验方法

A公司家用变频洗衣机控制器使用的铝电解电容器为CD294 450V390uF（30*40），试验方法如下。

采用大功率的调压电源设备，AC可输入到600V，电流需要30A以上。

（1）试验样品接好电源后，从0V调整到AC320V，这个时间一般不限制。

（2）之后从这个点调整到AC500V，时间大概控制在10～20秒。

（3）正常能听到压敏电阻爆炸声音和看见火花，稳定几秒，关闭电源。观察试验过程是否出现着火，特别是内部电子器件和白色塑料件。

（4）试验后打开核实电容器是否开阀、喷出电解液。

3.2 判定基准

要求控制器中电容两边的电压由370V升到700V过程中，可以内部短路或者开路，但是控制器不可以有火灾。

3.3 测试结果

测试结果见表4。

表4 试验规格、数量及结果

4 结语

研制小组通过对正极箔的选择、电解纸的选用、铝壳底部防爆压力的调整及新型电解液的研制，成功开发了瞬间耐过电压能力强的铝电解电容器，该产品可以满足变频洗衣机控制器BULK用铝电解电容器特殊性要求，成本低、质量稳定，提高了机器设备的可靠性，满足了客户需求。