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工业铝电解电容器如何选型?

供稿:工控网 2020/11/16 12:44:54

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  • 关键词: 尼吉康 电容器
  • 摘要:10月20日-23日CEATEC 2020 Online期间,尼吉康(nichicon)开发并扩展了其铝电解电容器旗下产品,并扩充了其在去年发布的小型锂离子可充电电池“SLB”系列,以下记者将从技术方面分析最新产品所应对的场景。

蒸汽机的问世,标志着世界开启了工业革命;大规模流水线的正式运行,标志着电力开始应用,成为了第二次工业革命;第一台可编程控制器(PLC)的成功研发,标志着生产进入自动化时代,成为了第三次工业革命;而现今机器换人的概念被提出,得益于IoT、机器间通信和信息物理融合系统的发展,催生着工业的第四次革命,即工业4.0

所谓工业4.0,依托的是工业物联网、云计算、大数据、机器人、3D打印、知识工作自动化、网络安全、虚拟现实、人工智能九大支柱。然而,新技术的使用和算力的急速攀升的结果,便是整体方案逐渐靠拢集成化、小型化、可靠性。另一方面,小型化的需求下,很多设备更加偏向采用自然风冷,这便对于高耐热提出一定的需求。

对于半导体行业来说,这不仅催生着集成电路的进一步进化,也促进了上游元器件的发展。电容、电阻、电感被冠以“三大被动元件”,叱咤电子圈,是最常用的电子元件之一。其中,电容约占电子元件用量的40%,是用途最广泛、用量最大的一种被动元件。不可忽视的是,工业场景中的能源供给和信息通讯都非常依赖电容器,在工业场景中大量用于电源模块、不间断电源、通信模块上。

10月20日-23日CEATEC 2020 Online期间,尼吉康(nichicon)开发并扩展了其铝电解电容器旗下产品,并扩充了其在去年发布的小型锂离子可充电电池“SLB”系列,以下记者将从技术方面分析最新产品所应对的场景。

工业的变革与铝电解电容

电容为何成为“电容、电阻、电感三小强”中用量最大的被动元件?数据显示,仅仅手机中的电容的用量就达到了1000-1100颗,而平均每台电动车需要用到1.7万颗到1.8万颗。如此巨大的用量,要归功于电容的自身的“通交阻直”和“充放电”的特性,由此衍生出隔直流、旁路(去耦)、耦合、滤波、温度补偿、计时、调谐、整流、储能、平滑电压等功用。

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根据电容器的制造材料不同,具体可以分为:陶瓷电容器、铝电解电容器、钽电容器、薄膜电容器主要四类电容。其中陶瓷电容多用于增速飞快的消费电子和汽车电子中,并且MLCC缺货涨价的新闻频发而被人熟知。

事实上,铝电解电容和薄膜电容在市场的用量一直非常稳定,其中铝电解电容占整个电容器市场的33%。另据中国电子元器件行业协会的数据,全球铝电解电容市场整体规模近年来保持每年4%左右的增长。究其原因,主要在于铝电解电容容量大、价格优,可在开关电源、整流模块、通信设备和汽车中大量使用。

上文也有提及,工业4.0时代即将到来,实现“机器换人”不仅带来大量的数据处理,也带来了大量的无线连接。数据处理需要扩建更多需要不间断电源(UPS)的数据中心,无线连接需要给设备都装上无线模块,这便直接推动了铝电解电容用量的增长。值得一提的是,由于我国正在大力推行5G网络建设和“新基建”,在制造通信系统时候会大量用到铝电解电容,因此目前对于铝电解电容的需求量极大。

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铝电解电容的构造与发展

铝电解电容器是以阳极高纯度铝箔表面上形成的氧化膜为电介质,再由阴极铝箔、电解液、电容器纸(电解纸)构成。氧化膜是通过电解氧化(化成)形成,非常薄,具有整流特性。此外,通过对高纯度铝箔进行腐蚀来扩大有效表面积,获得小型化大容量的电容器。

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铝电解电容根据电解质形态不同可以分为液态铝电解电容和固态铝电解电容,前者拥有更好的成本优势,后者则拥有更强的稳定性和长寿命。根据引出方式不同分为引线式、焊针式、焊片式、螺栓式和贴片式。

从性能上来讲,固态铝电解电容远超于液态铝电解电容,一颗固体铝电解电容可以替代2-3颗液态铝电解电容;从工艺上来讲,液态铝电解电容在高温可能会导致电解液沸腾蒸发,低温会导致电解液凝固,并且有漏液的风险。因此,行业普遍认为固态铝电解电容是未来的趋势。

工业4.0时代,除了在用量上的考验,在对整机的不断集成化、小型化、超薄化的背景下,也催生着上游元件的转型。以铝电解电容用量较大的电源管理来说,在5-10年的发展趋势是高功率密度、低EMI、低静态电流、低噪声高精度、更好的隔离性能,这几项参数指向的便是更好的稳定性和更高的集成度,直接推动了铝电解电容朝向小型化/超薄化、固体化、大容量化发展。

值得注意的是,电源模块、不间断电源、通信设备对于稳定性的要求远远高于其他领域。特别是24小时不间断工作的工厂,在既有的稳定性下拥有更长的寿命,可以大大减少工业维修的时间和成本。

不过,尼吉康在铝电解电容方面则是分为三种:铝电解电容器(电解液)、导电高分子铝电解电容器(固态)、混合铝电解电容器。所谓混合铝电解电容即为两者的固液混合,即高容量、低漏损电流特性的“电解液与高纹波电流、低ESR、低温特性的“导电性高分子”的组合。

在尼吉康看来,混合铝电解电容器和液态铝电解电容器相比,在高频率领域的ESR性能优异,对于温度变化具有稳定的ESR性能。再者,因内部含有电解液,具有氧化膜修复功能,能维持稳定的电气性能。

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21ic家认为,固态铝电解电容固然拥有很好的寿命和低ESR,但由于成本的限制,混合铝电解电容是过渡和补全产品线的一个好选项,特别是在对可靠性要求越来越高的现如今。需要引起大家需要重视的是,固态电解电容器也并非“万能的”,在技术上仍然有许多进步空间,因此混合铝电解电容可谓是1+1>2,充分发挥了二者的优异性能。

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工业铝电解电容的选型

铝电解电容器和其他电容一样,在工业选型中也拥有很多参数需要考虑,特别是在工业4.0的大背景下,更好的参数才足以胜任高强度的不间断运行。

在电子元器件市场上,微型化、高效率、高频化、高可靠性以及薄型化需求正推动着元器件表贴化。此外,随着 PL(产品责任法)的强制推行,安全性变得比以往更加受到重视。针对这些情况,应用于电源上的铝电容被要求具有以下特点 :小型、轻量、薄型、长寿命、高可靠性、芯片化、安全性。根据这些内容,以下所讨论的要点,将有助于熟练使用铝电容器。具体在选择工业铝电解电容器时应注意以下要点:

1、静电容量和体积

铝电解电容的静电容量计算方式与平行板电容器一样,利用以下公式计算:

 

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通过介电常数ε和电解质厚度d,可以看出在同样的表面积S下,铝电解电容器的静电容量相比薄膜电容器和陶瓷电容器大几倍甚至几十倍。

因此对于工业场景来说,选取容量大情况下体积最小的是最好的选项,这是因为工业的高速发展和开关电源效率的不断提升。但仅仅追求容量和体积是不可取的,仍然需要关注铝电解电容器本身的寿命以及额定纹波电流数值。

以尼吉康的在CEATEC 2020最新开发的“GYE系列”高容量导电性高分子混合铝电解电容器来说,相比尼吉康之前推出的“GYA”系列(125℃ 4000小时保证)和“GYC系列”(135℃ 4000小时保证)等导电性高分子混合铝电解电容器,在同样尺寸下容量上提高了一个等级,因此有望通过减少电容器数量,缩小单元的尺寸和重量,进一步优化电路设计。

根据尼吉康的介绍,“GYE系列”通过采用高容量阳极箔和导电性高分子材料以及优化了电解液,从而实现了高容量产品。此外,维持了现有品“GYA系列”的高可靠性,其规格达到了125℃ 4000小时耐高温、长寿命保证和耐湿性能85℃ 85%RH . 2000小时小时保证。不仅如此,相比常规品,额定纹波电流的容许值达到了约1.2倍。

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 另外,尼吉康还在CEATEC2020中展出最新开发的“UBH系列”铝电解电容器,不仅改良了材料和制法,而且采用了低散发性能和低电阻率的电解液,从而实现了支持150℃和低ESR性能。在φ8以及φ10领域创造了行业最高级别的2000小时保证时间,还实现了低温ESR保证,因此可以让机器具备高性能和长寿命。

此外,“UBH系列”产品和现有的支持150℃的“UBC系列” 相比,可以容纳大约1.5倍的静电容量,因此采用本产品后有望减少元器件数量和实现机器的小型化。

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值得注意的是,尼吉康的产品的铝电解电容器无需安装固定带,在另一个方面也节省了空间。

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2、额定电压

任何电子元器件都有自己的耐压,额定电压也是选取元器件的最基本。那么超过额定电压会怎么样?

对于铝电解电容器来说,若施加超过额定电压的电压,漏电流会急剧增加。压力阀作动后,被气化的电解液快速从打开的压力阀部位排放出去。鉴于电容器的能量与电压的 2 次方成比例 ,施加电压越高,压力阀的作动状态越激烈,电极之间可能会短路。请在低于额定电压的电压上使用电容器。

电容也会有很多高压使用的场景,因此高耐压产品是必不可少的。尼吉康方面便在CEATEC2020上扩充了“GYA系列”的80V额定产品,在高电压领域也能提供高可靠性的匹配产品,有望为进一步优化电路设计做出贡献。

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 3、ESR(等效串联电阻)和纹波电流

在理想状态下,电容自身不会产生能量损失,甚至在大学教材中容抗可以直接用XC= 1/(2πfC)计算出来。然而实际上电容的绝缘介质损耗是不可避免的,这是因为制造电容的材料其实本身就是一种电阻,而这一等效电阻与电极、端子引线、板材、电解质、电解质(溶液/固体)等多个参数相关,非常复杂。

正因为损耗在外部,等同于串联了一个电阻,因此才会产生这样一个指标ESR(Equivalent Series Resistance)。那么会有ESL,即等效串联电感吗?实际上是存在的,在早期的工艺中,容量大的电容很容易产生ESL,工艺提升的现在ESL基本可以忽略了,ESR的问题在现今仍然是需要引起重视的。

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这是因为,ESR不仅浪费电能、产生谐振、影响品质因数Q,还会产生热能耗P(P=1²RS),热能耗的产生与电容的稳定性和寿命产生了直接的影响。

另一方面,ESR还与纹波电流有关,纹波电流的有效值一般和ESR产生的损耗成正比,即Urms = Irms × R。(Urms 表示纹波电压,Irms 表示纹波电流,R 表示电容的 ESR)。换言之,在纹波电流同等的条件下,ESR越大涟波电压也会成倍提高,最终影响的便是电容器的寿命。

当然,对于纹波电流本身这个参数,也需要引起重视。根据电流波形不同,纹波电流有着不同的计算方式,在选取铝电解电容时候注意额定纹波电流值即可。

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 对于ESR,ESR参数越低的铝电解电容器就越好?并非如此,ESR过低的电容容易引起开关电路振荡,从而再去解决电路振荡问题,因此铝电解电容器厂商会在避免振荡同时尽量降低ESR。

尼吉康的铝电解电容的低ESR化使用的是电解纸改良的一种技术,通过电解纸的低ESR化减少电容器生热。此外,通过降低热阻抗,大幅度提高了散热效率。

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相对尼吉康来说,固体铝电解电容器的ESR性能最优最低,混合铝电解电容器ESR居中,非固态铝电解电容器ESR次之。

以尼吉康卓越的ESR性能著称的“PCL系列”芯片型导电性高分子铝固体电解电容器来讲,今年CEATEC上尼吉康扩充了这个系列的参数型号,追加了额定电压2.5V的产品。根据介绍,尼吉康的导电性高分子铝固体电解电容器采用了导电性高分子电解质,不仅具有高频领域 的卓效的ESR特性,还有出色的容许纹波电流耐性。

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另外,在车载市场上,近期尼吉康也向市场额定投放量行业最高支持150℃的“PCZ系列”芯片型导电性高分子铝固体电解电容器

根据介绍,本产品优化了开发“PCZ系列”时采用的新技术,推出了16V、20V、50V、63V的额定电压,还开发了低背品和长尺寸品,因此即使在以前的空白领域,尼吉康也能够提供支持150℃的产品。总体产品阵容的额定电压范围为16~63V DC、额定静电容量范围为12~1000μF、产品尺寸为φ 8x7 L~φ 10x12.7 L。本产品保留了低ESR、高容许纹波电流等导电性高分子铝固体电解电容器特长,即使在高温环境下,也能选择符合客户要求的产品。 

4、高耐温和散热

随着电子技术的发展和算力的提升,设备也越来越热,尤其是车载环境已经普遍达到了125℃~150℃。当然,对于工业场景来说,发热量也越来越大,从安全性上来讲,耐温越高也越安全。

值得一提的是,行业普遍认为电解电容器的寿命与工作环境温度息息相关,温度越高,寿命越短。有些工程师则认为,非固态铝电解电容器因为内部电解液会蒸发或化学变化,随着时间增加ESR会逐渐增大,电容性能会劣化。

实际上,通过温度曲线来看,铝电解电容器的tanδ、等效串联电阻(ESR)、阻抗是伴随着温度和频率而产生变化。

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 通过尼吉康的铝电解电容器产品来看,耐温范围基本均可在125℃~150℃上进行选择。另外,尼吉康的铝电解电容本身的散热结构上也有助于自身散热,更加提高了可靠性。

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 5、使用寿命

不得不说,电容器其实是电路中最容易坏的部件,在稳定性要求越来越高的现在,使用的寿命越长,二次更换成本越低。

上面也提到,ESR、温度、电介质(固态、液态、混合态)这些参数都会影响到铝电解电容器的寿命时长,使用寿命可谓是综合了所有参数的最终参数,在选用时需要重点关注。

当 铝 电 解 电 容 器 的 静 电 容 量 变 化 率、 损 耗 角 正 切(tanδ)、漏电流超过规定值或外观发生明显异常时,判定其达到寿命。温度、湿度、振动等因素影响铝电解电容器寿命,尤其是温度的影响最大,温度越高,寿命越短。

以尼吉康产品为例,寿命普遍在1000小时以上,最长甚至可以达到4000小时或8000小时。

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6、充放电

电容器本身拥有储能的特性,因此充放电性能也是值得关注的一条关键信息。特别是在充放电过程中的短路问题,非常影响使用中的稳定性。尼吉康方面则通过特殊的结构解决了快速充放电的短路问题。

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 另一方面,超级电容器是新型储能装置的一种。,种超级电容器的区别实际上在于电解电容器的电极材料上,成为介于电容和电池之间的一种产品,极大的容量完全可以充当电池使用。

电气双层电容(EDLC)便是超级电容中的一种,在充放电过程中完全没有涉及物质变化,充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点,但EDLC的能量密度低至7Wh/kg,在体积上不具有优势。

尼吉康则在此前推出了“SLB系列”小型锂离子可充电电池,这是一种通过采用钛酸锂(LTO)作为负极实现的小型锂离子充电电池,也是超级电容的一种。拥有高倍率快速充/放电性能、接近电容器的高输入/输出密度、10C下超过25000回充放电循环的长寿命、-30℃下工作的低温特性等优势。通过采用株式会社东芝的SCiB™技术开发出同时拥有高功率密度和能量密度的小型锂离子可充电电池。

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而在CEATEC 2020上,“SLB系列”小型锂离子可充电电池的型号扩充到了φ8、φ12.5 尺寸品,可以用在更大容量的需求上。

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总结

铝电解电容器需要关注的指标非常多,而尼吉康则化简为繁,直接为客户带来了很方便的选择方法。藏在其中的,是腐蚀技术、电解液技术、仿真解析技术、诱电体氧化皮膜技术、铝电解电容器异常电压对应技术、高压用铝电解电容器低温特性改善品、105℃ 800V对应电解液开发技术等。而最为需要注意的便是,尼吉康的生产是从原材料开始的,因此才得以如此坚固耐用。

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在工业4.0的大背景下,所有的器件都在不断跳代升级,铝电解电容器亦如此,对于小小的电容器来说小型化、耐温、耐压、低ESR、固态化已逐渐成为行业要研究的重要课题。


审核编辑(王静)
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