业界专家讲解高压、大容量电容器应用与选型

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电容器是各种电子产品终端必不可少的元件，在电子系统中起着至关重要的作用。随着电子产品制造水平的提升和系统性能需求越来越苛刻，系统厂商的工程师和采购人员对电容器的性能提出了新的要求。在工业、电源等应用中，系统厂商对高容量、低ESR、小体积的电容器的需求更加迫切，而在汽车、军工和航空航天等应用中，则对电容器寿命、耐压、可靠性等提出了更高的要求。在历年来的中国电子展（CEF）上，电容器厂商一直是展会的常客，并占据参展商数量很大的比例，在刚刚结束的第74届中国电子展上，组委会特意安排了电容器专区，国内多家电容器厂商参与展示了各种电容器产品，为观众提供了一站式采购平台。展会第一天，本刊组织了电容器应用与选型研讨会，与电容器展区交相辉映，致力为电容器供应商提供更好的宣传与推广服务，并为观众提供更好的技术支持和内容服务。诸如电源、工业、汽车、军工和航空航天等领域对高压、大容量电容器有很大的需求，在这些领域，通常有一下几种类型可供选择：铝电解电容器、薄膜电容器、陶瓷电容器。演讲嘉宾分别就不同领域的电容器选型为听众进行讲解。高压、长寿命应用的电容器选型在新能源汽车电源部分的设计中，需要采用高耐压的电容器进行平滑（smoothing）和滤波（fiLTEr）的应用，汽车内部通常工作环境恶劣，要求电容器耐高温性能强、可靠性高，寿命长，此时薄膜电容相比铝电解电容具备较大的优势。演讲嘉宾日本MACHINE-TECHNOLOGY中国区代表赵福宁为听众介绍了薄膜电容在新能源汽车的应用和发展。赵福宁举例说道：“铝电解电容显著弱点是在高温下寿命低下。比如第一代丰田普锐斯（PRIUS）混合动力汽车，采用的是铝电解电容，电压是450V，容量为1000μF，寿命在105℃时仅为1000小时，长期使用会面临更换电容的问题。所以第二代普锐斯开始就采用薄膜电容，电压达到600V，寿命为15年以上，而到最新的第三代普锐斯采用的薄膜电容，电压已经达到750V，寿命同样在15年以上。”赵福宁表示，旧一代的混合动力汽车，功率部分IGBT支持600V电压，平滑部分需要450V电压和60A电流，此时采用铝电解电容可以胜任。到最近几年，IGBT已经达到900V电压，平滑部分也需要750V电压和90A电流，只有采用薄膜电容才能胜任。薄膜电容还具备小体积的优势，相同容量的薄膜电容和电解电容，薄膜电容的体积大概会小一半。尤其是金属化薄膜电容器，其制法是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极，如此可以省去电极箔的厚度，缩小电容器单位容量的体积。此外，薄膜电容器还有下面的一些优势：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。高容量、成本敏感应用的电容器选型尽管薄膜电容器在寿命、耐压能力等方面具备较大优势，不过在PC、消费电子等较低电压和成本敏感的应用，我们看到最多的还是MLCC和铝电解电容器。铝电解电容器重要厂商台湾立隆电子有限公司的总经理吴志铭介绍了各种电容针对容量和电压不同的一个选型指南。吴志铭先生表示：“低压、低容量领域MLCC抢占了铝电解电容器的大量空间，而在高压、低容量领域电解电容又收到薄膜电容的威胁，因此高压、高容量与低单位容量成本才是铝电解电容器存在的价值。”例如，在LCD TV、LCD monitor、notebook、台式电脑主板、STB、交换器、UPS、Power Inverter和LED照明等应用中，电解电容器仍然处于绝对的市场领先地位。此外，高性能的电解电容也在汽车电子领域得到了广泛应用。比如立隆电子的U787D系列产品，满足AEC-Q200汽车电子规范对元件工作温度、震动、温度稳定性等项目的要求，其工作温度能达到+150℃，且满足汽车蓄电池36V和42V的电压标准。另一家国内高性能电容器厂商，南通江海电容器股份有限公司也在研讨会上发表了精彩讲演。江海公司总工程师丁继华表示，针对工业用电容器选型，需要考虑下面一些因素：长寿命、高可靠(品质稳定)、高稳定(安全性能)、低成本、个性化设计。针对铝电解电容通常寿命相对较低的特点，江海进行一系列技术攻关，有效提升了铝电解电容的寿命。丁继华介绍道，提升寿命首先要降低工作温度，因为工作温度与功率P相关，而P=I2* ESR，所以首先要降低ESR，江海采用多种方式减低电容器ESR，比如采用多对引线条引出（并联电阻以减少ESR），负极延伸等工艺。此外，还需要减小电容器中心与环境之间的热阻，即加强散热，江海采取的是无固定剂结构，以及厚底加散热膜等工艺。目前铝电解的趋势，在工业、电源等高压产品领域，是小型化、长寿命化和纹波电流提升；在通信、资讯等低压产品领域，是小型化、低阻抗、纹波电流提升和长寿命的趋势。图：各类电容的温度特性——ESR相对温度的变化，容量相对温度的变化（AL -铝电解电容；Ta -钽电容；OS -有机半导体固体电容；CR（X5U）- X5U陶瓷电容器；CR（X5P）- X5P陶瓷电容器）贴片电容在高压领域的应用贴片电容通常应用在一些低压场合，不过市面上同样有一些高压贴片电容和安规贴片电容产品，台湾厂商禾伸堂就是这方面的专家。本次研讨会禾伸堂国际贸易(上海)有限公司市场部资深经理黄铨廷为听众带来了“安规贴片电容与一般高压电容的应用差异”的演讲，如图所示即为安规贴片电容与一般高压电容的差异：