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军用高分子固体电解质钽电容器概况

文章出处:网责任编辑:编辑:人气:-发表时间:2020-11-27 18:02:00【

电容器作为航天工程用量最多的元器件,承担着看似微不足道,但实际至关重要的作用。而钽电容器作为目前最为高端的电容之一,特点是寿命长、体积小容量大、可靠性高,在高可靠设计线路中都有钽电容的身影。

由于铝电解电容器的可靠性不高,1956年美国贝尔实验室开发出二氧化锰固体电解质钽电容器。随着技术的进步低阻抗及高频电路的大规模应用,二氧化锰钽电容易燃烧,高频性能弱等特性逐渐影响整机的性能及安全。于是1997年由美国KEMET企业开发可靠性更高,性能更加出色的高分子固体电解质钽电容器,目前已经形成片式及金属外壳封装高分子钽电容器两大系列。该电容包含二氧化锰钽电容的所有优点,并且电性能更加出色,同时又有着陶瓷电容的ESR小、应用频率高的优点,大量用于军工电子设备,开创了电容器的新纪元。
高分子钽电容器又称导电高分子聚合物钽电容器或聚合物钽电容器,因其阴极采用导电高分子聚合物材料而得名。高分子材料通常被人们认为是绝缘体(比如塑料),但是70年代美国宾夕法尼亚大学的化学家A.G. Ma eDiarmid和物理学家A.J. He eger及日本化学家H.Sh irakawa将其合成为导体后被广泛应用并给多个行业带来了革命性的变革,由于在导电聚合物领域的开创性贡献,上述3位科学家共同荣获2000年诺贝尔化学奖。
美国KEMET企业是钽电容器行业的领导者,由于军工需求其率先引入导电高分子材料应用于钽电容器并于1997年研发成功。高分子钽电容的出现迅速引发了电容器行业的巨变,目前已经形成了替代传统电容器的潮流,相对于传统二氧化锰钽电容具有如下优势:

01

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良性失效模式 安全性高

高分子钽电容在失效时负极聚合物发生吸氧反应,隔绝了阳极钽粉与氧气的接触,即使产品失效也不会发生剧烈的燃烧,产品更加安全。

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超低ESR

目前,随着开关电源的体积不断缩小,能量转换效率不断提高,工作频率不断提高(从20KHz到500KHz,甚至达到了兆赫兹)。频率的升高导致输出部分的高频噪声增大,为了有效滤波,必须使用超低高频阻抗或超低等效串联电阻(ESR)的电容器。高分子片式钽电容器的阻抗、ESR在高频段变化不大,这种高频段的低变化率在很大程度上决定了电容器的使用场合。

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高频容量保持

导电高分子电解质导电率的提高大大提升了电容器的高频性能。高分子钽电容器在频率100kHz以前电容量的突降很小,这一特征大大提高了电容器在DC-DC转换电路中以及在这一频段范围内的电路的滤波性能。这种电路的滤波特性取决于容量和ESR,如果要过滤效果超过预期,仅需考虑如何改善ESR。普通二氧化锰钽电容器在100kHz下可能会失去多达50%的容量,而高分子钽电容通常在100kHz下保留90%以上的容量。

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耐大纹波及浪涌电流冲击

高分子钽电容器高频区域具有较高的电容量和较小的损耗角正切,大大减小高频时的噪声,而且容许更大的纹波电流。

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卓越的自我修复能力

当电容器受到损害时,电流会集中于缺陷处,产生局部高温。这种集中的热会使缺陷处的聚合物气化,从而断开与缺陷处的连接而修复缺陷。另外一种方式当缺陷处集中电流时,聚合物受热,受热的聚合物呈强还原性,会吸取附近存在的任何氧气,同时增大它自身的电阻率。这样同样会“堵住”缺陷起到电容器的修复作用。

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更高的可靠性和更低的降额使用电压

钽电容的失效基本上都是“热”失效,而高分子钽电容的最显著特点是ESR低,发热小,所以可靠性高。在电容器的实际应用中MnO2钽电容器一般需要降额50%使用,而高分子钽电容只需降额10~20%使用(额定电压大于10V降额20%,其他降额10%)。
可以预见不久的将来,高分子钽电容将全面取代MnO2钽电容器,成为我国钽电容行业应用的主流。

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