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威世 | vPolyTan™ 聚合物钽电容器Hi-Rel COTS系列,超低ESR

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这些新系统设备专门满足下一代航空、国防和航天需求。

新型先进设备取代陈旧过时的系统促进了航空电子、国防和太空领域应用的快速增长。这些新系统设备专门满足下一代航空、国防和航天需求。如针对 MIL-STD-704 标准规定的极端环境和电气特性而设计的敌友识别 (IFF) 系统、用于目标跟踪检测的相控阵雷达、航空电子控制和显示以及电力系统等。客户需要保持竞争力,这一需求推动着市场的发展。


这种现代化系统对电容器的容积效率、可靠性、额定电压和大容量提出了更高的要求。为满足这些需求,工程师们一直采用 Vishay 的 vPolyTan™ 固体聚合物钽电容器。


什么是聚合物钽电容器?


与大多数电容技术不同,固体聚合物钽电容器不使用阴阳极片。阳极由钽粉烧结成的钽颗粒制成。这种颗粒经过阳极氧化处理,整个阳极表面形成五氧化二钽 (Ta2O5) 介质层。然后, 用高导电聚合物浸渍氧化颗粒用作阴极。
经过处理,导电聚合物层涂覆石墨,然后涂覆一层金属银,在电容芯与外部电极(引线框或其他电极)之间形成导电面。
模塑片式聚合物钽电容器元件封装在塑料树脂中,如环氧树脂材料。选择的模塑化合物符合 UL 94 V-0 耐火等级和 ASTM E-595 脱气要求(见图1)。
组装后,对电容器进行测试和检查,确保长期寿命和可靠性。

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图1: 模塑聚合物剖面示意图


导电聚合物与二氧化锰 (MnO2) 钽电容


导电聚合物电容与二氧化锰 (MnO2) 钽电容结构相似。二者的主要区别在于固体电解质使用的材料。标准 MnO电容器具有典型半导体导电性。导电聚合物电容器使用固有导电聚合物 (ICP) 材料,导电率高几个数量级。因此,导电聚合物电容器的等效串联电阻 (ESR) 大大低于 MnO电容器,并且降低了所需的电压降额。


聚合物电容器无热解/起火故障


导电聚合物电容器的另一个特点是材料中含氧量少,因此不存在起火故障。


电容器电介质中的杂质产生高电流泄漏点。MnO钽电容器自愈作用的机理基于MnO分子热致变为电阻更大的Mn2O3+ O。泄漏电流导致温度上升到足够高时,形成 Mn2O避免这种缺陷造成电流进一步增加,即“自愈”。如果这个过程中产生的游离氧分子与钽在足够高的温度下相互作用,会引燃并产生明火。


如果聚合物电容器的电介质中出现同样的杂质,由于没有助燃的氧气,因此不存在起火故障。自愈时,疵点周围形成高电阻材料。


Vishay Hi-Rel 系列产品


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表1: 高额定电压聚合物电容器

电压降额


如前文所述,聚合物技术提高的耐压性允许更低的电压降额要求。 除显著降低 ESR 之外,导电聚合物阴极还具有良性故障模式(如上所述),因此不需要加大降额来保证 MnO 的安全性。

如图2所示,10 V 以下额定电压  (VR),仅需 10% 降额,而在 VR>10 V 的情况下,建议降额为 20%。这些指导原则适用于 105 ℃ 以下的温度。超过 105 ℃,在 VR≤ 10 V,125℃ 条件下,建议降额线性下降至 40%。同样,VR>10 V 的电容器,建议降额下降至 46%。

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高电压


更好的降额准则意味着更高的工作电压,进而提高容积效率。典型聚合物电容器额定电压为 50 V,而 Vishay Sprague vPolyTan™ 技术目前可将额定电压提高到75 V。这样一来,聚合物电容可用于 MIL-STD-704, 28 VDC 总线 (22 VDC – 29 VDC 稳态)应用, 温度达到 125℃ 需要电压隆额。


聚合物电容器额定电压高,加之降额低,使其在容积效率方面优于其他电容器技术。


低ESR


由于阴极结构采用高导电性固有导电聚合物,因此聚合物电容器的 ESR 非常低,通常比 MnO钽电容器低 10 %。因此,这种器件特别适合高频和高纹波电流应用。


高可靠性


由于聚合物电容使用固体电解质,因此不像液体或凝胶电解电容器那样容易干燥。这种干燥过程是铝电解电容器的常见故障模式,并且会导致过热。当液体蒸发时,压力增加会导致液体泄漏、膨胀,甚至爆裂/爆炸。固体聚合物电容器没有这种故障机制,因此更可靠,使用寿命更长。与铝电解电容器不同,聚合物电容器可在较高温度下长时间工作,不会产生问题。


MAP技术


Vishay 多阵列封装 (MAP) 技术可在给定体积下实现容量最大化。其方法是缩小引线框,使实际电容器占有更大体积(见图3)。


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  图3: MAP与模塑
Hi-Rel  T54  系列电容器利用 MAP 技术提高容积效率。MAP 结合双阳极设计,可显著降低 ESR 额定值(见下图4)。

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图4: T54  MAP 技术结合超低 ESR 双阳极设计


堆叠电容器


利用 MAP 技术,Vishay 在 T54 系列中增加了堆叠选件,适用于占位面积小、容量大的应用。通过堆叠,多个电容器以并联阵列的形式组合在一起。电容器并联配置可增加容量,降低 ESR。堆叠选项包括 1x2(一个电容器宽,两个高)、1x3、2x2、2x3 和 3x2。额定容值范围 130 uF 至 2800 uF,额定电压范围 75VDC 至 16VDC。还可以提供定制堆叠配置。这些堆叠式大容量配置有助于大量节省设计师的 PCB 空间。


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图5: T54  堆叠式聚合物电容器阵列


储能/大容量


Vishay 的 MAP 和堆叠阵列技术极大地提高了容积效率。这种大容量的提升使聚合物电容器成为储能和/或快速充放电应用的良好选择,如脉冲雷达、激光雷达、保持电路等。

电容器储能公式

E = ½*CV2

式中,
E 为能量,单位焦耳
C 为容量,单位法拉
V 为额定电压,单位伏特



T54 系列采用 E6 封装(2x3阵列),能量达 5 J/in2,以 900 uF / 35VDC 额定电压堆叠式聚合物电容器理想条件为准。


长期可靠性


与多层陶瓷或铝电解等竞争技术不同,由于上述特性,聚合物电容器无磨损,从而保证 Hi-Rel 国防和航天应用所需的长期可靠性。图6显示聚合物技术的长期稳定性,容量、漏电流和 ESR 随时间变化很小。

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图6: 长期稳定性(容量、漏电流和ESR变化)

广泛应用


高端服务器主板、MIL-STD-704 电源、相控阵雷达、敌友识别系统 (IFF)、网络基础设施、储能、功率调节、去耦、平滑、滤波、保持电路等。

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