聚合物混合电容器：从源头挖掘专业知识

　　Christian Kasper（儒卓力 电解和聚合物电容器技术支持）

　　摘 要：聚合物混合电容器产品就像水滴一样，彼此看来相似，至少在查看产品规格参数时是这样的。因此，为了找到最佳的组件，建议用户借鉴制造商和分销商的专业知识，因为组件之间肯定存在差异。

　　关键词：聚合物；电容器；阿伦尼乌斯公式；铝电解

　　聚合物混合电容器的特点包括极端条件下的稳定性，使用寿命长，低等效串联电阻(ESR)，高达165 ℃温度规格选项以及AEC-Q200认证。由于这些特性，它们现在用于包括汽车在内的众多应用中，例如用于油泵或水泵的电控单元(ECU)、冷却风扇和电动助力转向(EPS)系统。尽管如此，在选择合适的电容器时必须小心：制造商的产品规格参数看起来大致相同，难以发现任何微妙的差异。但它们之间确实存在差异，而这些差异只能通过测试显示出来。

　　一般而言，聚合物混合电容器的生产工艺已获得专利。除了生产差异之外，制造商还选择使用不同的原材料，例如在数量和基质方面不同的聚合物组合物。因此，对于汽车应用，电容器的ESR行为特性可能在10 kHz或20 kHz范围内发生变化，尽管根据相应的产品规格参数，这完全没有差别。而且，在负温度范围内，不同制造商的组件之间也存在着差异。因此，利用制造商或“中立”分销商的技术诀窍是值得的。

　　1 阿伦尼乌斯公式

　　举例而言，一个关键因素是混合电容器的预期寿命。为了确定这个因素，开发人员喜欢使用著名的阿伦尼乌斯公式。为此，他们需要制造商规定使用寿命L _b 、最高温度 T _max ，施加纹波电流时的温升 ∆ T ₀ (最大允许值6K，可能随着产品系列和制造商而变化)，以及使用期间电容器的表面温度T _c 。因此，预期寿命计算公式如下：然而，这项公式并不适用于聚合物混合电容器技术。这是因为它只是粗略地描述了定量温度依赖性，仅仅假设了最大值情况，并没有充分考虑到纹波电流对电容器的影响。

　　然而，由纹波电流引起的自发热对于电容器的使用寿命具有显著影响。此外，在实际应用中，纹波电流很少会在整个使用寿命期间的任何温度下保持恒定。因此，尽力实现精确工作并使用制造商或专家在使用寿命计算方面的专业知识，是提供有效设计的关键所在。

　　在网上或产品规格参数中无法获得更多的精确数据和某些特定数值，而仅仅可以由实际制造商提供。根据这些技术诀窍、可用公式和内部测量数据，制造商计算了使用寿命。此外，制造商分析电容器可能的最大负载，并将此信息传递给用户以便于他们了解产品。这样为客户提供了何种电容器型号最适合相应应用的列表，何种数量是理想的。例如对于并联电路 ，在给定条件下电容器将持续工作多长时间。毕竟，这也是制造商保证的。

　　2 使用寿命表格和使用简况

　　在所谓的使用寿命表格中，制造商列出了测试结果中的变化数值。这可以用于确定如何通过封装温度和100 kHz下纹波电流参数来最大化相应电路的使用寿命。例如，如果基于虚拟使用寿命表(图1)，假设温度为125 ℃(2 A电流下)，则使用寿命为5 000 h。在145℃和6 A时，电容器的使用寿命为850 h。额定区域是指由测量结果确定的范围，而扩展区域则指基于测量结果的推论。

　　制造商的使用寿命表格显示，实际使用寿命可能比数据表中规定的数值更高，这使得人们对聚合物混合电容器技术充满信心。

　　使用简况(图2)描述了电容器在实际使用中暴露的应力和应变。这些应力包括改变的环境和工作温度，负载持续时间以及在特定频率下测量的纹波电流。 这种使用简况的测量花费了宝贵的开发时间，不过，如果可以更有效地设计电路，并且制造商确认并联电路中使用3个而不是4个电容器则是值得的。这显然为客户提供了相应应用中电容器可靠性的精确信息。

　　3 组件的过载测试

　　制造商进行过载测试并将相应数据纳入其计算结果中。由于这项技术出现不到10年，因此仍然相对较新，这些测试数据是制造商关于电容器质量和进一步发展的重要信息来源。

　　例如，对于10 mm×10 mm设计25 V电容器，其指定数值为2 A纹波电流，100 kHz，20 mΩ ESR，以及125 ℃环境温度下使用寿命为4 000 h。这款组件暴露于相当高的纹波电流。这项测试在两个125 ℃恒定环境温度的地点进行，每个地点使用200个组件。使用6 A电流，即三重过载电流进行测试时，电容器的使用寿命超过19 000 h，并且工作时间更长。电容漂移稳定在-18%左右。而根据产品规格参数，寿命终止定义为漂移-30%。ESR保持不变(从18 mΩ开始，产品规格参数数值为20 mΩ，在22 mΩ左右稳定)。

　　儒卓力专家得出了类似的结论：即使电容器被冷冻到-55 ℃，ESR也没有改变。为此，儒卓力产品营销工程师与实验室工程师合作开发了一款便携式演示工具，可在几秒钟内冷冻低ESR SMD（表面贴装器件）电容器和聚合物混合电容器，同时不断测量ESR数值。在此过程中，可以实时观察到聚合物混合电容器的ESR如何保持绝对稳定，而电解电容器的ESR则增加超过5倍。

　　在每个电容器的最高过载电流14 A下(对应于电容器中大约150 ℃核心温度)，在4 300 h后，4个批次产品中仅有1个批次在测试中失效。然而，其失效原因并不是电容器的技术本身，而是热量导致橡胶塞变得膨胀多孔。为了消除这个弱点，制造商已经在寻求其他的密封方法和新设计。

　　这些测试表明聚合物混合电容器技术的可能性远远没有用尽。所有制造商仍在努力进一步优化聚合物混合电容器产品，从而最大限度地提高性能。目标是在更长的使用寿命内实现更高的容量、电压和温度，以及更优良的SMD帽尺寸，以期在更高的负载下实现更进一步的小型化。

　　使用聚合物混合电容器代替其他类型电容器通常是明智的。例如，如果可以使用一个混合型款电容器来替代电路中的2个甚至3个铝电解电容器，这相当于在尺寸、安装高度和PCB（印制板）空间方面获得了很大的节省。此外，由于其特殊性能，与电解电容器相比，在ESR增加、使用寿命期间的漂移、频率和温度以及电容数值变化方面，混合电容器确保具有更高的稳定性。

　　4 替代电路中的电容器产品

　　在特定应用中，可以使用混合电容器替代轴向电容器(图3)。实际的选择是在传统的轴向铝电解电容器和混合电容器之间，两者都采用引线设计。两种电容器的纹波电流相似，只是混合电容器的总电容较低。这个因素出现在大多数聚合物混合电容器解决方案中，但通常并不影响它们在电路中的工作状况。由于这些电容器的使用状况是由ESR和纹波电流决定的，即使是大型轴向电容器或SolderStar电容器也具有优势，但也证明铝电解电容器存在典型缺点。除此之外，混合电容器需要的安装空间更少，具有明显降低的ESR，并且在整个使用寿命期间提供高稳定性。除了节省电路中的空间和重量外，混合电容器还确保可以节省成本。

　　同样希望从中受益的客户应该利用制造商的专有技术，特别是儒卓力专家的技术诀窍，这些专家能以中立的角度去评估技术。现场应用工程师团队通过提供独立于制造商的产品和技术建议，为选择产品的客户开发人员提供技术支持。儒卓力扮演着与制造商聘用的各种专家直接联系的中立者角色，以期保证实现理想的电路设计。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第30页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。