新型先進(jìn)設(shè)備取代陳舊過時的系統(tǒng)促進(jìn)了航空電子、國防和太空領(lǐng)域應(yīng)用的快速增長。這些新系統(tǒng)設(shè)備專門滿足下一代航空、國防和航天需求。如針對 MIL-STD-704 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極端環(huán)境和電氣特性而設(shè)計的敵友識別 (IFF) 系統(tǒng)、用于目標(biāo)跟蹤檢測的相控陣?yán)走_(dá)、航空電子控制和顯示以及電力系統(tǒng)等?？蛻粜枰３指偁幜?，這一需求推動著市場的發(fā)展。

這種現(xiàn)代化系統(tǒng)對電容器的容積效率、可靠性、額定電壓和大容量提出了更高的要求。為滿足這些需求，工程師們一直采用 Vishay 的 vPolyTan 固體聚合物鉭電容器。

什么是聚合物鉭電容器?與大多數(shù)電容技術(shù)不同，固體聚合物鉭電容器不使用陰陽極片。陽極由鉭粉燒結(jié)成的鉭顆粒制成。這種顆粒經(jīng)過陽極氧化處理，整個陽極表面形成五氧化二鉭(Ta2O5)介質(zhì)層。然后, 用高導(dǎo)電聚合物浸漬氧化顆粒用作陰極。經(jīng)過處理，導(dǎo)電聚合物層涂覆石墨，然后涂覆一層金屬銀，在電容芯與外部電極（引線框或其他電極）之間形成導(dǎo)電面。模塑片式聚合物鉭電容器元件封裝在塑料樹脂中，如環(huán)氧樹脂材料。選擇的模塑化合物符合 UL 94 V-0 耐火等級和 ASTM E-595 脫氣要求（見圖1）。組裝后，對電容器進(jìn)行測試和檢查，確保長期壽命和可靠性。

圖1：模塑聚合物剖面示意圖

導(dǎo)電聚合物與二氧化錳 (MnO2) 鉭電容

導(dǎo)電聚合物電容與二氧化錳 (MnO2) 鉭電容結(jié)構(gòu)相似。二者的主要區(qū)別在于固體電解質(zhì)使用的材料。標(biāo)準(zhǔn) MnO2電容器具有典型半導(dǎo)體導(dǎo)電性。導(dǎo)電聚合物電容器使用固有導(dǎo)電聚合物 (ICP) 材料，導(dǎo)電率高幾個數(shù)量級。因此，導(dǎo)電聚合物電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 大大低于 MnO2電容器，并且降低了所需的電壓降額。

聚合物電容器無熱解/起火故障

導(dǎo)電聚合物電容器的另一個特點(diǎn)是材料中含氧量少，因此不存在起火故障。電容器電介質(zhì)中的雜質(zhì)產(chǎn)生高電流泄漏點(diǎn)。MnO2鉭電容器自愈作用的機(jī)理基于MnO2分子熱致變?yōu)殡娮韪蟮腗n2O3+ O。泄漏電流導(dǎo)致溫度上升到足夠高時，形成 Mn2O3避免這種缺陷造成電流進(jìn)一步增加，即“自愈”。如果這個過程中產(chǎn)生的游離氧分子與鉭在足夠高的溫度下相互作用，會引燃并產(chǎn)生明火。如果聚合物電容器的電介質(zhì)中出現(xiàn)同樣的雜質(zhì)，由于沒有助燃的氧氣，因此不存在起火故障。自愈時，疵點(diǎn)周圍形成高電阻材料。 Vishay Hi-Rel 系列產(chǎn)品

表1：高額定電壓聚合物電容器

電壓降額

如前文所述，聚合物技術(shù)提高的耐壓性允許更低的電壓降額要求。除顯著降低 ESR 之外，導(dǎo)電聚合物陰極還具有良性故障模式（如上所述），因此不需要加大降額來保證 MnO2的安全性。如圖2所示，10 V 以下額定電壓 (VR)，僅需 10% 降額，而在 VR>10 V 的情況下，建議降額為 20%。這些指導(dǎo)原則適用于 105 ℃ 以下的溫度。超過 105 ℃，在 VR≤ 10 V，125℃ 條件下，建議降額線性下降至 40%。同樣，VR>10 V 的電容器，建議降額下降至 46%。

高電壓

更好的降額準(zhǔn)則意味著更高的工作電壓，進(jìn)而提高容積效率。典型聚合物電容器額定電壓為 50 V，而 Vishay Sprague vPolyTan 技術(shù)目前可將額定電壓提高到75 V。這樣一來，聚合物電容可用于 MIL-STD-704, 28 VDC總線 （22 VDC– 29 VDC穩(wěn)態(tài)）應(yīng)用， 溫度達(dá)到 125℃ 需要電壓隆額。聚合物電容器額定電壓高，加之降額低，使其在容積效率方面優(yōu)于其他電容器技術(shù)。

低ESR

由于陰極結(jié)構(gòu)采用高導(dǎo)電性固有導(dǎo)電聚合物，因此聚合物電容器的 ESR 非常低，通常比 MnO2鉭電容器低 10 %。因此，這種器件特別適合高頻和高紋波電流應(yīng)用。

高可靠性

由于聚合物電容使用固體電解質(zhì)，因此不像液體或凝膠電解電容器那樣容易干燥。這種干燥過程是鋁電解電容器的常見故障模式，并且會導(dǎo)致過熱。當(dāng)液體蒸發(fā)時，壓力增加會導(dǎo)致液體泄漏、膨脹，甚至爆裂/爆炸。固體聚合物電容器沒有這種故障機(jī)制，因此更可靠，使用壽命更長。與鋁電解電容器不同，聚合物電容器可在較高溫度下長時間工作，不會產(chǎn)生問題。

MAP技術(shù)

Vishay 多陣列封裝 (MAP) 技術(shù)可在給定體積下實(shí)現(xiàn)容量最大化。其方法是縮小引線框，使實(shí)際電容器占有更大體積（見圖3）。

圖3：MAP與模塑Hi-RelT54系列電容器利用 MAP 技術(shù)提高容積效率。MAP 結(jié)合雙陽極設(shè)計，可顯著降低 ESR 額定值（見下圖4）。

圖4：T54MAP 技術(shù)結(jié)合超低 ESR 雙陽極設(shè)計

堆疊電容器

利用 MAP 技術(shù)，Vishay 在T54系列中增加了堆疊選件，適用于占位面積小、容量大的應(yīng)用。通過堆疊，多個電容器以并聯(lián)陣列的形式組合在一起。電容器并聯(lián)配置可增加容量，降低 ESR。堆疊選項(xiàng)包括 1x2（一個電容器寬，兩個高）、1x3、2x2、2x3 和 3x2。額定容值范圍 130 uF 至 2800 uF，額定電壓范圍 75VDC至 16VDC。還可以提供定制堆疊配置。這些堆疊式大容量配置有助于大量節(jié)省設(shè)計師的 PCB 空間。

圖5：T54堆疊式聚合物電容器陣列

儲能/大容量

Vishay 的 MAP 和堆疊陣列技術(shù)極大地提高了容積效率。這種大容量的提升使聚合物電容器成為儲能和/或快速充放電應(yīng)用的良好選擇，如脈沖雷達(dá)、激光雷達(dá)、保持電路等。電容器儲能公式E = ?*CV2式中，E 為能量，單位焦耳C 為容量，單位法拉V 為額定電壓，單位伏特 T54系列采用 E6 封裝（2x3陣列），能量達(dá) 5 J/in2，以 900 uF / 35VDC額定電壓堆疊式聚合物電容器理想條件為準(zhǔn)。

長期可靠性

與多層陶瓷或鋁電解等競爭技術(shù)不同，由于上述特性，聚合物電容器無磨損，從而保證 Hi-Rel 國防和航天應(yīng)用所需的長期可靠性。圖6顯示聚合物技術(shù)的長期穩(wěn)定性，容量、漏電流和 ESR 隨時間變化很小。

圖6：長期穩(wěn)定性（容量、漏電流和ESR變化） 廣泛應(yīng)用高端服務(wù)器主板、MIL-STD-704 電源、相控陣?yán)走_(dá)、敵友識別系統(tǒng) (IFF)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、儲能、功率調(diào)節(jié)、去耦、平滑、濾波、保持電路等。

作者介紹：Kenneth Sanchez

Kenneth Sanchez 現(xiàn)任 Vishay 北美東部-鉭器件部 現(xiàn)場應(yīng)用工程師。曾發(fā)表：《高分辨率近軸彩色成像系統(tǒng)》、《窄角光學(xué)成像系統(tǒng)在高分辨率彩色和單色應(yīng)用中的使用方法》等論文。持有南佛羅里達(dá)大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。