超低ESR聚合物钽电容器满足航空电子、国防和太空领域需要

简介

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。

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MnO₂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MnO₂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。MnO₂钽电容器自愈作用的机理基于MnO₂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Mn₂O₃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的Hi-Rel系列产品

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MnO₂的安全性。 

如图2所示，10 V以下额定电压（V_R），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V_R ≤ 10 V，125 ℃ 条件下，建议降额线性下降至40%。同样，V_R >10 V的电容器，建议降额下降至46%。

图2

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MnO₂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）。

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）。

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75 VDC至16 VDC。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。

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，单位伏持。

T54系列采用E6封装（2x3阵列），能量达5 J/in2，以900 uF / 35 VDC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。

图6：长期稳定性（容量、漏电流和ESR变化）

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。