全球首個(gè)軸向引線式聚合物混合鋁電解電容器

Mr. Welkin Wang (王濤 先生)

TDK 電子大中華區(qū)鋁電解產(chǎn)品市場部經(jīng)理

高功率密度、小體積、低重量以及高可靠性是客戶對(duì)汽車電子系統(tǒng)的要求。這些要求同樣適用于鋁電解電容器等個(gè)別元件。而降低等效串聯(lián)電阻 (ESR)在這方面顯得特別重要。全新軸向引線式聚合物混合鋁電解電容器，正是 TDK 在元件行業(yè)內(nèi)豎立的又一領(lǐng)先標(biāo)桿。

大部分的汽車系統(tǒng)都要求在某單位體積內(nèi)具有極高的電容量，而鋁電解電容器正好提供這種特性，從而穩(wěn)定工作電壓，保障系統(tǒng)的功能可靠。最近幾年，TDK 集團(tuán)開發(fā)并不斷優(yōu)化了鋁電解電容器，特別是針對(duì)汽車應(yīng)用。其中軸向式電容器是目前這些開發(fā)工作的最佳成果，它能承受高達(dá) 60 g 的抗振動(dòng)能力，允許最高使用溫度達(dá) 150℃。而鋁電解電容器的一項(xiàng)重要特征是其等效串聯(lián)電阻 (ESR)：當(dāng)施加了交變電流(波紋電流)時(shí)，電流將會(huì)加熱元件，從而導(dǎo)致跟ESR 等比例的功率損失。因此，ESR 和熱阻是限制鋁電解電容器電流能力的主要因素。

通過多加芯子的引線條等等手段可逐步降低 ESR，從而提高鋁電解電容器的電流能力，但這種逐步式的改進(jìn)無法跨越式降低等效串聯(lián)電阻值。其主要原因在于普通液態(tài)電解液的低導(dǎo)電性。這種離子導(dǎo)體的導(dǎo)電性只有約 0.01 S/cm。作為對(duì)比：銅等純金屬的導(dǎo)電性約為 58 x10⁴S/cm。

聚合物混合技術(shù)可顯著降低等效串聯(lián)電阻 (ESR)

為顯著降低等效串聯(lián)電阻 (ESR)，TDK 集團(tuán)轉(zhuǎn)向開發(fā)聚合物混合技術(shù)，它將具有約

1000 S/cm 的高導(dǎo)電性聚合物與液態(tài)電解質(zhì)結(jié)合在一起。圖 1 顯示了聚合物混合鋁電解電容器的內(nèi)部設(shè)計(jì)。

圖 1：聚合物混合鋁電解電容器的內(nèi)部設(shè)計(jì)

除了降低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 以外，相比于僅使用聚合物，混合技術(shù)還提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：聚合物混合鋁電解電容器具有自愈性，能對(duì)鋁電解電容器電介質(zhì)氧化層中的缺陷進(jìn)行再氧化。因此，相比于純聚合物鋁電容器，聚合物混合鋁電解電容器具有更高的介電強(qiáng)度、耐溫性以及耐用性。

與同等尺寸的液體電解質(zhì)技術(shù)相比，現(xiàn)有的聚合物混合技術(shù)提供了 2 至 5 倍的更高波紋電流能力，具體取決于溫度和額定電壓。目前，市場上此類電容器的電容值和額定電壓值相對(duì)較低。更高的電容值和功率密度

TDK 集團(tuán)顯著地改善了聚合物混合鋁電容器的電流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高的電容值和功率密度，并具有更低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。其中采用的專利材料、工藝和設(shè)計(jì)創(chuàng)新包括：

· 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和固態(tài)/液態(tài)電解液成分

· 將聚合物材料填充至大的芯子繞組中

· 通過多引線條接頭實(shí)現(xiàn)超低金屬電阻，從而充分利用聚合物的高導(dǎo)電性，即使在大型設(shè)計(jì)中仍可使用。

全球首個(gè)軸向引線式聚合物混合鋁電容器

以此為基礎(chǔ)，TDK 集團(tuán)成功開發(fā)了全球首個(gè)軸向式設(shè)計(jì)的聚合物混合鋁電容器。這種全新的技術(shù)可提供無與倫比的電容能力，在 25 V 至 63 V 的額定電壓下，電容可達(dá) 390 µF 至 2200 µF，并且典型等效串聯(lián)電阻(ESR)極 低，僅為 2 mΩ 至 3.5 mΩ。這種新的電容器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸僅為 14 mm x 25 mm(直徑 x 高)至 16 mm x 30 mm(直徑 x 高) (圖 2)。

圖 2：全球首個(gè)軸向引線式聚合物鋁電解電容器，電容值為 390 µF 至 2200 µF ，等效串聯(lián)電阻極低， 典型值為 2 mΩ 至 3.5 mΩ。

與一般鋁電解電容器相比，全新聚合物混合鋁電解電容器的等效串聯(lián)電阻值非常小。。因此， 這種新的電容器提供了極高的波紋電流能力，為一般鋁電解電容器的 2 至 10 倍。例如，圖 3 比較了聚合物混合鋁電解電容器與一般鋁電解電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。

圖 3：聚合物混合鋁電解電容器與標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 比較。

減少元件數(shù)量，縮小系統(tǒng)空間

由于具有高波紋電流能力，這種全新的軸向引線式聚合物混合鋁電解電容器具有極高的功率密度，從而顯著減少了所需元件的數(shù)量，節(jié)約了大量空間。在此之前，為實(shí)現(xiàn)汽車應(yīng)用所需的高電流能力，用戶通常必須并聯(lián)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容器，占用了大量空間，或者使用多個(gè)現(xiàn)有的低電容聚合物混合 SMD 鋁電解電容器。使用單個(gè)元件還可以減少焊點(diǎn)的數(shù)量，從而確保更高的可靠性。

這種全新的聚合物混合鋁電解電容器的典型應(yīng)用領(lǐng)域是 48 V 系統(tǒng)的額定電壓在 25 V, 35 V 和

63 V 的直流鏈路變頻器，且這種應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車中日益流行。更多的潛在應(yīng)用包括電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)和風(fēng)扇控制單元。

緊湊的 SMD 系列不僅尺寸小且等效串聯(lián)電阻低

除了軸向引線式混合聚合物鋁電解電容器，TDK 還開發(fā)了 SMD 系列(圖 4)。額定電壓為 25

V 至 35 V 時(shí)，新系列電容器的容值為 270µF 至 330µF。憑借其混合聚合物技術(shù)特性，這些尺寸僅為 10 mm x 10.5 mm(直徑 x 高)的電容器可實(shí)現(xiàn)低于 18 mΩ 的等效串聯(lián)電阻值。

圖 4: 額定電電電 25 V 至 35 V 時(shí)，混合聚合物鋁電解電容器的新型 SMD 系列的電容值電 270 µF 至330 µF，典型等效串聯(lián)電阻值低于 18 mΩ。

TDK 集團(tuán)將繼續(xù)開發(fā)聚合物混合技術(shù)以覆蓋更高的電壓等級(jí)，包括遠(yuǎn)大于 100 V 的電壓范圍。同時(shí)，更大電容的軸向式設(shè)計(jì)也正處于研發(fā)階段。通過進(jìn)一步擴(kuò)展聚合物混合鋁電解電容器的 產(chǎn)品線，TDK 集團(tuán)將繼續(xù)設(shè)法滿足汽車開發(fā)工程師對(duì)更高功率密度、小型化及可靠性的需求。