Пару лет назад была представлена новая технология производства многослойных полимерных конденсаторов PMLCAP (Polymer Multi-Layer CAPacitor). Приведем некоторые факты, доказывающие преимущества этих конденсаторов по сравнению с обычными крупногабаритными пленочными конденсаторами.
Преимущества многослойных высоковольтных полимерных конденсаторов PMLCAP
- отсутствие пьезоэлектрического эффекта и связанных с ним акустических эффектов,
- отсутствие влияния напряжения смещения постоянного тока на емкость,
- стабильная емкость в широком диапазоне температур,
- отсутствие риска короткого замыкания, возгорания и задымления,
- возможность использования в качестве замены конденсаторов MLCC в аудиоприборах высокого класса,
- массовое применения в автомобильной промышленности, а также в марсианском посадочном модуле InSight, разработанном НАСА.
В настоящее время конденсаторы PMLCAP выпускаются серий MU и MS для диапазона номинальных напряжений от 10 до 100 В. По сравнению с металлизированными пленочными конденсаторами площадь их поверхности может быть уменьшена до 10 раз при сохранении аналогичных электрических параметров.
Хотя их размер может быть немного больше по сравнению с многослойными MLCC, конденсаторы PMLCAP не обладают нежелательными характеристиками, типичными для MLCC, такими как пьезоэлектрический эффект и влияние напряжения смещения постоянного тока.
В настоящее время разрабатываются конденсаторы PMLCAP в высоковольтном исполнении для диапазона от 500 В до 900 В. В стадии разработки находятся две серии: HPB (корпусного типа) для диапазона ёмкости от 5 мкФ до 25 мкФ и HPM (модульного типа). Чем отличаются высоковольтные конденсаторы PMLCAP? Вот краткое изложение наиболее важных фактов:
Малые размеры: уменьшение объема почти на 50% по сравнению с обычными конденсаторами.
Высоковольтные конденсаторы PMLCAP могут быть почти на 50% меньше современных пленочных конденсаторов эквивалентных характеристик. Столь значительное уменьшение габаритов обусловлено различием диэлектрических проницаемостей пленочных конденсаторов на основе полипропилена (2,1) и конденсаторов PMLCAP на основе акрила (2,9). В результате конденсаторы PMLCAP обладают большей способностью хранить электрический заряд, чем полипропиленовые. В нынешних конденсаторах серии HPB добились уменьшения объема на 30% по сравнению с фольговыми конденсаторами с эквивалентными параметрами.
Уменьшение размеров: миниатюризация размеров за счет увеличения градиента напряжения до 300 В/мкм.
Чем больше градиент напряжения, тем меньше размер конденсатора. Для увеличения градиента напряжения в фольговых конденсаторах применяется «ячеистая» структура металлизации, обеспечивающая защиту от коротких замыканий и неконтролируемого повышения температуры. Увеличение количества ячеек на одной поверхности слоя фольги обеспечивает стабильную емкость, даже если какая-либо ячейка будет повреждена. В то же время увеличение количества ячеек на одном размере слоя уменьшает их размеры и снижает общую емкость конденсатора. Поскольку это уже отработанная технология, необходима еще одна инженерная инновация для увеличения градиента напряжения.
Этот тип структуры не используется в конденсаторах PMLCAP. Для достижения более высокого градиента напряжения используется соответствующий выбор материалов и структурные изменения.
Термическая стойкость: Никаких проблем при работе при 125°C, а в будущем и до 150°C.
Диэлектрический материал фольгового конденсатора обычно является термопластичным, при этом обычно используется полипропиленовая фольга из-за ее низкого коэффициента рассеяния и связанных с этим низких потерь. Однако температура плавления находится в пределах 160…170°С, поэтому даже при работе при температуре 125°С существует риск неконтролируемого повышения температуры.
Диэлектрическим материалом конденсаторов PMLCAP является акрил, который является термореактивным материалом. Хотя он разлагается при 400°C, у него нет точки плавления. Таким образом, конденсаторы PMLCAP не представляют опасности при эксплуатации при температуре 125°C.
Он также может выдерживать большее повышение температуры при увеличении пульсаций тока. Следовательно, чем выше температура и пульсирующий ток, тем выгоднее использование конденсаторов PMLCAP.
Возможность сборки SMT: Устойчивость к пайке оплавлением.
Исключительная термическая стойкость конденсаторов PMLCAP позволяет монтировать их на поверхности в процессе оплавления. Низковольтные версии серий MU и MS теперь доступны в виде компонентов SMD. В будущем планируется также вывести на рынок высоковольтные версии в качестве SMD-компонентов.
Стабильное напряжение: нет необходимости снижать напряжение до 125°C.
Если фольговый конденсатор будет работать в условиях высокого напряжения и высоких температур, необходимо учитывать необходимость снижения его рабочего напряжения. Например, пленочный конденсатор на 900 В при температуре 125°C не может работать при таком напряжении. В таком случае следует использовать эквивалент с более высоким номинальным напряжением.
Одним из важнейших преимуществ конденсаторов PMLCAP является отсутствие необходимости снижения напряжения во всем диапазоне допустимых рабочих температур. Даже при температуре 125°C конденсаторы серий HPB и HPM могут работать при полном номинальном напряжении, предоставляя еще одну возможность миниатюризации компонентов. Больше нет необходимости использовать пленочные конденсаторы с номиналом 1000 В или выше в устройствах с напряжением 900 В. Вместо этого выбор конденсаторов PMLCAP меньшего размера на 900 В дает дополнительные преимущества.
Пульсации тока выше 10 кГц: возможность работы с компонентами SiC и новыми технологиями в системах преобразования энергии.
Коэффициент потерь у конденсаторов PMLCAP составляет 0,5% на частоте 1 кГц, что выше, чем у пленочных конденсаторов PP (0,02%). Следствием этого являются большие потери, обусловленные свойствами материала. Однако это является недостатком только в нижнем диапазоне рабочих частот примерно до 1 кГц. При работе источника питания на более высокой тактовой частоте, например выше 10 кГц, конденсаторы PMLCAP имеют преимущества в виде повышенной устойчивости к пульсациям тока.
Коэффициент потерь выше 10 кГц в большей степени зависит от конструкции конденсатора. Чтобы обеспечить миниатюризацию компонентов при более высоких рабочих напряжениях, внутренние слои конденсаторов PMLCAP соединяются последовательно, что соответствует последовательному соединению конденсаторов.
Кроме того, последовательная структура обеспечивает лучшее рассеивание тепла. Теплопроводность в горизонтальном направлении примерно в 2,3 раза больше, чем у типичного фольгового конденсатора. Эта конструкция способна рассеивать большие пульсации тока, вызывая выделение тепла.
Благодаря всему этому, PMLCAP в настоящее время рассматриваются как замена пленочных конденсаторов звена постоянного тока, обычно используемых в высокотемпературных устройствах, таких как автомобильные инверторы и подобные схемы. К их наиболее важным преимуществам относятся малые размеры и вес, отсутствие снижения номинальных характеристик, снижение риска отказа в условиях высоких температур и устойчивость к высоким пульсациям тока.
