超低ESR聚合物鉭電容器滿足航空電子、國防和太空領域需要

簡介

新型先進設備取代陳舊過時的系統促進了航空電子、國防和太空領域應用的快速增長。這些新系統設備專門滿足下一代航空、國防和航天需求。如針對MIL-STD-704標準規定的極端環境和電氣特性而設計的敵友識別（IFF）系統、用于目標跟蹤檢測的相控陣雷達、航空電子控制和顯示以及電力系統等。客戶需要保持競爭力，這一需求推動著市場的發展。

這種現代化系統對電容器的容積效率、可靠性、額定電壓和大容量提出了更高的要求。為滿足這些需求，工程師們一直采用Vishay的vPolyTan™固體聚合物鉭電容器。

什么是聚合物鉭電容器？

與大多數電容技術不同，固體聚合物鉭電容器不使用陰陽極片。陽極由鉭粉燒結成的鉭顆粒制成。這種顆粒經過陽極氧化處理，整個陽極表面形成五氧化二鉭（Ta2O5）介質層。然后, 用高導電聚合物浸漬氧化顆粒用作陰極。

經過處理，導電聚合物層涂覆石墨，然后涂覆一層金屬銀，在電容芯與外部電極（引線框或其他電極）之間形成導電面。

模塑片式聚合物鉭電容器元件封裝在塑料樹脂中，如環氧樹脂材料。選擇的模塑化合物符合UL 94 V-0耐火等級和ASTM E-595脫氣要求（見圖1）。

組裝后，對電容器進行測試和檢查，確保長期壽命和可靠性。

圖1：模塑聚合物剖面示意圖

導電聚合物與二氧化錳（MnO₂）鉭電容

導電聚合物電容與二氧化錳（MnO₂）鉭電容結構相似。二者的主要區別在于固體電解質使用的材料。標準MnO₂電容器具有典型半導體導電性。導電聚合物電容器使用固有導電聚合物（ICP）材料，導電率高幾個數量級。因此，導電聚合物電容器的等效串聯電阻（ESR）大大低于MnO₂電容器，并且降低了所需的電壓降額。 

聚合物電容器無熱解/起火故障

導電聚合物電容器的另一個特點是材料中含氧量少，因此不存在起火故障。

電容器電介質中的雜質產生高電流泄漏點。MnO₂鉭電容器自愈作用的機理基于MnO₂分子熱致變為電阻更大的Mn₂O₃ + O。泄漏電流導致溫度上升到足夠高時，形成Mn₂O₃避免這種缺陷造成電流進一步增加，即“自愈”。如果這個過程中產生的游離氧分子與鉭在足夠高的溫度下相互作用，會引燃并產生明火。

如果聚合物電容器的電介質中出現同樣的雜質，由于沒有助燃的氧氣，因此不存在起火故障。自愈時，疵點周圍形成高電阻材料。

Vishay的Hi-Rel系列產品

表1：高額定電壓聚合物電容器

電壓降額

如前文所述，聚合物技術提高的耐壓性允許更低的電壓降額要求。除顯著降低ESR之外，導電聚合物陰極還具有良性故障模式（如上所述），因此不需要加大降額來保證MnO₂的安全性。 

如圖2所示，10 V以下額定電壓（V_R），僅需10%  降額，而在VR >10 V的情況下，建議降額為20%。這些指導原則適用于105 ℃ 以下的溫度。超過105 ℃，在V_R ≤ 10 V，125 ℃ 條件下，建議降額線性下降至40%。同樣，V_R >10 V的電容器，建議降額下降至46%。

圖2

高電壓

更好的降額準則意味著更高的工作電壓，進而提高容積效率。典型聚合物電容器額定電壓為50 V，而Vishay Sprague vPolyTan™ 技術目前可將額定電壓提高到75 V。這樣一來，聚合物電容可用于MIL-STD-704，28 VDC總線 （22 VDC – 29 VDC穩態）應用，溫度達到125 ℃需要電壓隆額。

聚合物電容器額定電壓高，加之降額低，使其在容積效率方面優于其他電容器技術。

低ESR

由于陰極結構采用高導電性固有導電聚合物，因此聚合物電容器的ESR非常低，通常比MnO₂鉭電容器低10 %。因此，這種器件特別適合高頻和高紋波電流應用。

高可靠性

由于聚合物電容使用固體電解質，因此不像液體或凝膠電解電容器那樣容易干燥。這種干燥過程是鋁電解電容器的常見故障模式，并且會導致過熱。當液體蒸發時，壓力增加會導致液體泄漏、膨脹，甚至爆裂/爆炸。固體聚合物電容器沒有這種故障機制，因此更可靠，使用壽命更長。與鋁電解電容器不同，聚合物電容器可在較高溫度下長時間工作，不會產生問題。

MAP技術

Vishay多陣列封裝（MAP）技術可在給定體積下實現容量最大化。其方法是縮小引線框，使實際電容器占有更大體積（見圖3）。

圖3：MAP與模塑

Hi-Rel T54系列電容器利用MAP技術提高容積效率。MAP結合雙陽極設計，可顯著降低ESR額定值（見下圖4）。

圖4：T54 MAP技術結合超低ESR雙陽極設計

堆疊電容器 

利用MAP技術，Vishay在T54系列中增加了堆疊選件，適用于占位面積小、容量大的應用。通過堆疊，多個電容器以并聯陣列的形式組合在一起。電容器并聯配置可增加容量，降低ESR。堆疊選項包括1x2（一個電容器寬，兩個高）、1x3、2x2、2x3和3x2。額定容值范圍130 uF至2800 uF，額定電壓范圍75 VDC至16 VDC。還可以提供定制堆疊配置。這些堆疊式大容量配置有助于大量節省設計師的PCB空間。

圖5：T54堆疊式聚合物電容器陣列

儲能/大容量

Vishay的 MAP和堆疊陣列技術極大地提高了容積效率。這種大容量的提升使聚合物電容器成為儲能和/或快速充放電應用的良好選擇，如脈沖雷達、激光雷達、保持電路等。 

電容器儲能公式

• E = ½*CV²

式中， E為能量，單位焦耳；C為容量，單位法拉；V為額定電壓，單位伏持。

T54系列采用E6封裝（2x3陣列），能量達5 J/in2，以900 uF / 35 VDC額定電壓堆疊式聚合物電容器理想條件為準。

長期可靠性

與多層陶瓷或鋁電解等競爭技術不同，由于上述特性，聚合物電容器無磨損，從而保證Hi-Rel國防和航天應用所需的長期可靠性。圖6顯示聚合物技術的長期穩定性，容量、漏電流和ESR隨時間變化很小。

圖6：長期穩定性（容量、漏電流和ESR變化）

應用

高端服務器主板、MIL-STD-704電源、相控陣雷達、敵友識別系統（IFF）、網絡基礎設施、儲能、功率調節、去耦、平滑、濾波、保持電路等。