Christian?Kasper（儒卓力?電解和聚合物電容器技術支持）

　　摘?要：聚合物混合電容器產品就像水滴一樣，彼此看來相似，至少在查看產品規格參數時是這樣的。因此，為了找到最佳的組件，建議用戶借鑒制造商和分銷商的專業知識，因為組件之間肯定存在差異。

　　關鍵詞：聚合物；電容器；阿倫尼烏斯公式；鋁電解

　　聚合物混合電容器的特點包括極端條件下的穩定性，使用壽命長，低等效串聯電阻(ESR)，高達165 ℃溫度規格選項以及AEC-Q200認證。由于這些特性，它們現在用于包括汽車在內的眾多應用中，例如用于油泵或水泵的電控單元(ECU)、冷卻風扇和電動助力轉向(EPS)系統。盡管如此，在選擇合適的電容器時必須小心：制造商的產品規格參數看起來大致相同，難以發現任何微妙的差異。但它們之間確實存在差異，而這些差異只能通過測試顯示出來。

　　一般而言，聚合物混合電容器的生產工藝已獲得專利。除了生產差異之外，制造商還選擇使用不同的原材料，例如在數量和基質方面不同的聚合物組合物。因此，對于汽車應用，電容器的ESR行為特性可能在10 kHz或20 kHz范圍內發生變化，盡管根據相應的產品規格參數，這完全沒有差別。而且，在負溫度范圍內，不同制造商的組件之間也存在著差異。因此，利用制造商或“中立”分銷商的技術訣竅是值得的。

　　1 阿倫尼烏斯公式

　　舉例而言，一個關鍵因素是混合電容器的預期壽命。為了確定這個因素，開發人員喜歡使用著名的阿倫尼烏斯公式。為此，他們需要制造商規定使用壽命L _b 、最高溫度 T _max ，施加紋波電流時的溫升 ? T ₀ (最大允許值6K，可能隨著產品系列和制造商而變化)，以及使用期間電容器的表面溫度T _c 。因此，預期壽命計算公式如下：然而，這項公式并不適用于聚合物混合電容器技術。這是因為它只是粗略地描述了定量溫度依賴性，僅僅假設了最大值情況，并沒有充分考慮到紋波電流對電容器的影響。

　　然而，由紋波電流引起的自發熱對于電容器的使用壽命具有顯著影響。此外，在實際應用中，紋波電流很少會在整個使用壽命期間的任何溫度下保持恒定。因此，盡力實現精確工作并使用制造商或專家在使用壽命計算方面的專業知識，是提供有效設計的關鍵所在。

　　在網上或產品規格參數中無法獲得更多的精確數據和某些特定數值，而僅僅可以由實際制造商提供。根據這些技術訣竅、可用公式和內部測量數據，制造商計算了使用壽命。此外，制造商分析電容器可能的最大負載，并將此信息傳遞給用戶以便于他們了解產品。這樣為客戶提供了何種電容器型號最適合相應應用的列表，何種數量是理想的。例如對于并聯電路 ，在給定條件下電容器將持續工作多長時間。畢竟，這也是制造商保證的。

　　2 使用壽命表格和使用簡況

　　在所謂的使用壽命表格中，制造商列出了測試結果中的變化數值。這可以用于確定如何通過封裝溫度和100 kHz下紋波電流參數來最大化相應電路的使用壽命。例如，如果基于虛擬使用壽命表(圖1)，假設溫度為125 ℃(2 A電流下)，則使用壽命為5 000 h。在145℃和6 A時，電容器的使用壽命為850 h。額定區域是指由測量結果確定的范圍，而擴展區域則指基于測量結果的推論。

　　制造商的使用壽命表格顯示，實際使用壽命可能比數據表中規定的數值更高，這使得人們對聚合物混合電容器技術充滿信心。

　　使用簡況(圖2)描述了電容器在實際使用中暴露的應力和應變。這些應力包括改變的環境和工作溫度，負載持續時間以及在特定頻率下測量的紋波電流。 這種使用簡況的測量花費了寶貴的開發時間，不過，如果可以更有效地設計電路，并且制造商確認并聯電路中使用3個而不是4個電容器則是值得的。這顯然為客戶提供了相應應用中電容器可靠性的精確信息。

　　3 組件的過載測試

　　制造商進行過載測試并將相應數據納入其計算結果中。由于這項技術出現不到10年，因此仍然相對較新，這些測試數據是制造商關于電容器質量和進一步發展的重要信息來源。

　　例如，對于10 mm×10 mm設計25 V電容器，其指定數值為2 A紋波電流，100 kHz，20 mΩ ESR，以及125 ℃環境溫度下使用壽命為4 000 h。這款組件暴露于相當高的紋波電流。這項測試在兩個125 ℃恒定環境溫度的地點進行，每個地點使用200個組件。使用6 A電流，即三重過載電流進行測試時，電容器的使用壽命超過19 000 h，并且工作時間更長。電容漂移穩定在-18%左右。而根據產品規格參數，壽命終止定義為漂移-30%。ESR保持不變(從18 mΩ開始，產品規格參數數值為20 mΩ，在22 mΩ左右穩定)。

　　儒卓力專家得出了類似的結論：即使電容器被冷凍到-55 ℃，ESR也沒有改變。為此，儒卓力產品營銷工程師與實驗室工程師合作開發了一款便攜式演示工具，可在幾秒鐘內冷凍低ESR SMD（表面貼裝器件）電容器和聚合物混合電容器，同時不斷測量ESR數值。在此過程中，可以實時觀察到聚合物混合電容器的ESR如何保持絕對穩定，而電解電容器的ESR則增加超過5倍。

　　在每個電容器的最高過載電流14 A下(對應于電容器中大約150 ℃核心溫度)，在4 300 h后，4個批次產品中僅有1個批次在測試中失效。然而，其失效原因并不是電容器的技術本身，而是熱量導致橡膠塞變得膨脹多孔。為了消除這個弱點，制造商已經在尋求其他的密封方法和新設計。

　　這些測試表明聚合物混合電容器技術的可能性遠遠沒有用盡。所有制造商仍在努力進一步優化聚合物混合電容器產品，從而最大限度地提高性能。目標是在更長的使用壽命內實現更高的容量、電壓和溫度，以及更優良的SMD帽尺寸，以期在更高的負載下實現更進一步的小型化。

　　使用聚合物混合電容器代替其他類型電容器通常是明智的。例如，如果可以使用一個混合型款電容器來替代電路中的2個甚至3個鋁電解電容器，這相當于在尺寸、安裝高度和PCB（印制板）空間方面獲得了很大的節省。此外，由于其特殊性能，與電解電容器相比，在ESR增加、使用壽命期間的漂移、頻率和溫度以及電容數值變化方面，混合電容器確保具有更高的穩定性。

　　4 替代電路中的電容器產品

　　在特定應用中，可以使用混合電容器替代軸向電容器(圖3)。實際的選擇是在傳統的軸向鋁電解電容器和混合電容器之間，兩者都采用引線設計。兩種電容器的紋波電流相似，只是混合電容器的總電容較低。這個因素出現在大多數聚合物混合電容器解決方案中，但通常并不影響它們在電路中的工作狀況。由于這些電容器的使用狀況是由ESR和紋波電流決定的，即使是大型軸向電容器或SolderStar電容器也具有優勢，但也證明鋁電解電容器存在典型缺點。除此之外，混合電容器需要的安裝空間更少，具有明顯降低的ESR，并且在整個使用壽命期間提供高穩定性。除了節省電路中的空間和重量外，混合電容器還確保可以節省成本。

　　同樣希望從中受益的客戶應該利用制造商的專有技術，特別是儒卓力專家的技術訣竅，這些專家能以中立的角度去評估技術。現場應用工程師團隊通過提供獨立于制造商的產品和技術建議，為選擇產品的客戶開發人員提供技術支持。儒卓力扮演著與制造商聘用的各種專家直接聯系的中立者角色，以期保證實現理想的電路設計。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。