電容器作為航天工程用量最多的元器件,承擔著(zhù)看似微不足道,但實(shí)際至關(guān)重要的作用。而鉭電容器作為目前最為高端的電容之一,特點(diǎn)是壽命長(cháng)、體積小容量大、可靠性高,在高可靠設計線(xiàn)路中都有鉭電容的身影。由于鋁電解電容器的可靠性不高,1956年美國貝爾實(shí)驗室開(kāi)發(fā)出二氧化錳固體電解質(zhì)鉭電容器。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步低阻抗及高頻電路的大規模應用,二氧化錳鉭電容易燃燒,高頻性能弱等特性逐漸影響整機的性能及安全。于是1997年由美國KEMET公司開(kāi)發(fā)可靠性更高,性能更加出色的高分子固體電解質(zhì)鉭電容器,目前已經(jīng)形成片式及金屬外殼封裝高分子鉭電容器兩大系列。該電容包含二氧化錳鉭電容的所有優(yōu)點(diǎn),并且電性能更加出色,同時(shí)又有著(zhù)陶瓷電容的ESR小、應用頻率高的優(yōu)點(diǎn),大量用于軍工電子設備,開(kāi)創(chuàng )了電容器的新紀元。高分子鉭電容器又稱(chēng)導電高分子聚合物鉭電容器或聚合物鉭電容器,因其陰極采用導電高分子聚合物材料而得名。高分子材料通常被人們認為是絕緣體(比如塑料),但是70年代美國賓夕法尼亞大學(xué)的化學(xué)家A.G. Ma eDiarmid和物理學(xué)家A.J. He eger及日本化學(xué)家H.Sh irakawa將其合成為導體后被廣泛應用并給多個(gè)行業(yè)帶來(lái)了革命性的變革,由于在導電聚合物領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )性貢獻,上述3位科學(xué)家共同榮獲2000年諾貝爾化學(xué)獎。美國KEMET公司是鉭電容器行業(yè)的領(lǐng)導者,由于軍工需求其率先引入導電高分子材料應用于鉭電容器并于1997年研發(fā)成功。高分子鉭電容的出現迅速引發(fā)了電容器行業(yè)的巨變,目前已經(jīng)形成了替代傳統電容器的潮流,相對于傳統二氧化錳鉭電容具有如下優(yōu)勢:高分子鉭電容在失效時(shí)負極聚合物發(fā)生吸氧反應,隔絕了陽(yáng)極鉭粉與氧氣的接觸,即使產(chǎn)品失效也不會(huì )發(fā)生劇烈的燃燒,產(chǎn)品更加安全。
目前,隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的體積不斷縮小,能量轉換效率不斷提高,工作頻率不斷提高(從20KHz到500KHz,甚至達到了兆赫茲)。頻率的升高導致輸出部分的高頻噪聲增大,為了有效濾波,必須使用超低高頻阻抗或超低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器。高分子片式鉭電容器的阻抗、ESR在高頻段變化不大,這種高頻段的低變化率在很大程度上決定了電容器的使用場(chǎng)合。
導電高分子電解質(zhì)導電率的提高大大提升了電容器的高頻性能。高分子鉭電容器在頻率100kHz以前電容量的突降很小,這一特征大大提高了電容器在DC-DC轉換電路中以及在這一頻段范圍內的電路的濾波性能。這種電路的濾波特性取決于容量和ESR,如果要過(guò)濾效果超過(guò)預期,僅需考慮如何改善ESR。普通二氧化錳鉭電容器在100kHz下可能會(huì )失去多達50%的容量,而高分子鉭電容通常在100kHz下保留90%以上的容量。
高分子鉭電容器高頻區域具有較高的電容量和較小的損耗角正切,大大減小高頻時(shí)的噪聲,而且容許更大的紋波電流。
當電容器受到損害時(shí),電流會(huì )集中于缺陷處,產(chǎn)生局部高溫。這種集中的熱會(huì )使缺陷處的聚合物氣化,從而斷開(kāi)與缺陷處的連接而修復缺陷。另外一種方式當缺陷處集中電流時(shí),聚合物受熱,受熱的聚合物呈強還原性,會(huì )吸收附近存在的任何氧氣,同時(shí)增大它自身的電阻率。這樣同樣會(huì )“堵住”缺陷起到電容器的修復作用。
鉭電容的失效基本上都是“熱”失效,而高分子鉭電容的最顯著(zhù)特點(diǎn)是ESR低,發(fā)熱小,所以可靠性高。在電容器的實(shí)際應用中MnO2鉭電容器一般需要降額50%使用,而高分子鉭電容只需降額10~20%使用(額定電壓大于10V降額20%,其他降額10%)。
可以預見(jiàn)不久的將來(lái),高分子鉭電容將全面取代MnO2鉭電容器,成為我國鉭電容行業(yè)應用的主流。