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폴리머 및 하이브리드 커패시터 이해

Aluminum-Polymer Hybrid Capacitors (MLCC Alternative) (십일월 2018).

Anonim

임베디드 시스템은 전도성 폴리머 기반 커패시터를 사용하여 신뢰성과 성능을 얻습니다.

ROB O 'CONNOR에 의해
커패시터 사업부 제품 매니저
파나소닉 산업 기기
www.panasonic.com/industrial

커패시터는 충분히 단순 해 보일지 모르지만 최근 몇 년 동안 커패시터가 점점 더 복잡해졌습니다. 왜 선택의 자유가 생겨나는 이유. 임베디드 시스템 애플리케이션을위한 커패시터의 세계는 지난 몇 년 동안 크게 늘어났습니다. 그 이유는 대부분 전도성 폴리머의 발전을 이용하는 커패시터 설계 때문이었습니다.

이러한 첨단 커패시터는 전도성 고분자를 사용하여 전체 전해질을 형성하기도합니다. 또는 전도성 고분자는 하이브리드 커패시터로 알려진 설계의 액체 전해질과 함께 사용될 수 있습니다 ( 그림 1 참조). 두 경우 모두 이러한 폴리머 기반 커패시터는 다음과 같은 경우 기존 전해질 및 세라믹 커패시터보다 우수한 성능을 제공합니다.

  • ESR 및 정격 전압
  • 안정
  • 수명 및 신뢰성
  • 안전
  • 수명주기 비용

다양한 폴리머 및 하이브리드 커패시터는 이상적인 전압, 주파수 특성 및 환경 조건과 관련하여 별개의 스위트 스폿을 가지고 있습니다.

폴리머 콘덴서의 종류

  • 적층 된 폴리머 알루미늄 커패시터 ( 그림 2 참조)는 전도성 폴리머를 전해질로 사용하고 알루미늄 음극을 가지고 있습니다. 이 제품은 2 ~ 25V의 전압 범위를 제공하며 2.2 ~ 560μF를 제공합니다. 그들의 전기적 특성은 매우 낮습니다. 컴팩트 한 표면 실장 형 소자로 몰드 수지로 포장 된이 소자는 로우 프로파일을 특징으로한다.
  • 상처 중합체 알루미늄 축전기는 또한 전도성 중합체 및 알루미늄에 근거를 둔다, 그러나 그들은 상처 포일 구조가있다. 이들은 다른 폴리머 커패시터보다 광범위한 전압 및 커패시턴스 값을 커버합니다. 전압은 2.5V에서 100V까지이고 커패시턴스는 3.3에서 2700μF까지입니다. 층을 이룬 폴리머 커패시터와 마찬가지로, 상처 스타일은 극도로 낮은 ESR 값을 갖는다. 레이어드 커패시터만큼 컴팩트하지는 않지만 표면 실장이 가능합니다.
  • 폴리머 탄탈 콘덴서는 전도성 폴리머 전해질과 탄탈 음극을 사용합니다. 이 제품들은 1.8 ~ 35V에 이르며 용량은 2.7 ~ 680μF이며 ESR은 낮다. 몰딩 된 수지 케이스에 포장 된 탄탈 고분자 커패시터는 시장에서 가장 컴팩트 한 제품입니다.
  • 폴리머 하이브리드 알루미늄 커패시터는 액체와 전도성 폴리머의 조합을 사용하여 전해질이 알루미늄 음극을 가지도록하는데, 두 가지 모두에서 가장 좋습니다. 이 폴리머는 높은 전도성을 제공하며 그에 상응하여 낮은 ESR을 제공합니다. 액체 부분은 높은 전압을 견딜 수 있고, 큰 유효 표면적으로 인해 높은 정전 용량 등급을 제공합니다. 이 제품은 25 ~ 80V의 전압과 10 ~ 330μF의 커패시턴스를 제공합니다. 20 ~ 120 mΩ에서 하이브리드의 ESR 값은 다른 유형의 폴리머 커패시터보다 높지만 여전히 낮습니다.

그림 1 : 하이브리드 커패시터 기술은 전해질과 폴리머의 성능 이점을 결합합니다.

폴리머 커패시터의 장점

재료 및 구조의 차이에도 불구하고 4 가지 유형의 폴리머 커패시터는 원하는 전기적 특성 모음을 공유합니다.

  • 우수한 주파수 특성 : 매우 낮은 ESR로 폴리머 커패시터는 공진점 근처에서 낮은 임피던스를 가지므로 전력 회로의 리플을 감소시킵니다. 우리의 테스트는 폴리머 커패시터와 기존의 저 ESR 탄탈 커패시터를 비교할 때 피크 - 투 - 피크 전압 변화가 5 배 감소한 것으로 나타났습니다.
  • 안정된 커패시턴스 : 세라믹의 경우, 커패시턴스는 온도와 DC 바이어스에 따라 변합니다. 고분자 콘덴서는 그러한 문제가없고 안정적이다. 이러한 안정성은 광범위한 작동 온도를 경험하는 산업 및 자동차 응용 분야에서 특히 중요합니다. 우리는 고온에서 세라믹 커패시터의 유효 커패시턴스 손실이 90 % 이상인 경우를 보았습니다. 하이브리드 커패시터는 일반적인 작동 조건 (고주파수 및 저온)에 직면하여 안정적인 커패시턴스를 유지하여 기존의 액체 전해 커패시터의 커패시턴스를 줄입니다.
  • 향상된 안전성 : 기존의 전해 콘덴서는 단락 및 고장의 원인이 될 수있는 안전 문제로 어려움을 겪을 수 있습니다. 전기 과부하 또는 기계적 응력으로 인해 유전체를 형성하는 산화막에 결함이나 불연속이 생길 때 문제가 발생합니다. 폴리머 커패시터는 이러한 고장 모드를 제거하는자가 치유 기능이 있습니다. 가열은 결함 근처의 도전성 중합체의 분자 사슬을 파괴하여 저항을 증가시키고 전극으로부터 누출되는 전류에 대한 장벽을 효과적으로 형성한다. 하이브리드 커패시터의 경우, 액체 전해질이 결함 근처의 전류 흐름으로 인해 알루미늄을 재 산화하기 때문에 추가적인자가 치유 메커니즘이 작용합니다. 우리는 폴리머 및 하이브리드 커패시터의 자체 수리 특성을 입증하기 위해 수많은 과전압 테스트를 수행했습니다. 그러한 테스트 중 하나는 SP-Cap 폴리머 커패시터를 기존의 탄탈 -MnO2 커패시터와 비교했다. 폴리머 모델은 단락 전류가 7A에 이르는 반면 탄탈 콘덴서는 3A에서 연기가 발생하고 5A에서 점화되기 시작했습니다.이 안전성 향상은 중요한 디자인 및 비용에 영향을 미칩니다. 기존의 탄탈륨 커패시터는 일반적으로 30 % ~ 50 %의 라벨 전압으로 사용이 제한되어있어 안전하게 작동합니다. 이러한 경감은 일반적으로 받아 들여지는 엔지니어링 기법으로 커패시터의 크기를 증가시키고 비용을 증가시킵니다. 대조적으로 폴리머 커패시터의 경우 정격 전압의 90 %에서 작동이 보장됩니다.

그림 2 : 폴리머 하이브리드 알루미늄 커패시터는 액체와

전도성 고분자를 전해질로 사용하고 알루미늄을 음극으로 사용합니다.

하이브리드 cpacitor 성능 이점

많은 전기 장치의 소형화 및 높은 스위칭 주파수에 힘 입어 하이브리드 커패시터가 더 많은 견인력을 갖기 시작했습니다. 하이브리드는 고주파에서 안정된 전기적 특성으로 잘 알려져 있습니다. 이 견고한 커패시터는 또한 컴퓨터 서버, 백업 장치 및 네트워킹 장치뿐만 아니라 산업용 모터, 자동차 엔진 제어 장치, 보안 카메라 및 LED 조명과 같은 애플리케이션을 차별화하는 다른 강력한 이점을 가지고 있습니다. 이점 중 :

  • 하이브리드는 소형입니다. 6.3 x 5.8 mm 크기의 표면 장착형 하이브리드 커패시터는 47uF의 커패시턴스로 35V를 처리 할 수 ​​있습니다. 크기가 작 으면 상당한 양의 보드 공간을 절약 할 수 있습니다. 최근의 48V 전원 공급 장치 응용 프로그램에서 하이브리드 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터에 필요한 보드 공간의 13 % 만 점유했습니다.
  • 하이브리드는 신뢰성을 극대화합니다. 거의 모든 방법으로 하이브리드 커패시터는 동등한 알루미늄 전해질 및 폴리머 커패시터보다 우수한 성능을 보입니다. 몇 가지 예를 들자면 하이브리드 커패시터는 전해질 또는 폴리머보다 내구성과 내 습성이 훨씬 뛰어납니다. 또한 하이브리드는 큰 리플 전류, 돌입 전류 및 높은 온도에 대해 상당히 높은 허용 오차를 갖습니다.

함께 제공되는 크기와 신뢰성은 하이브리드 커패시터를 사용하는 경우 높은 초기 가격에도 불구하고 강력한 비용 이점을 제공합니다. 리플 전류 규격 만 높을수록 커패시터의 수명주기를 늘려 비용을 20 % 절감 할 수있다. 우리가 방금 언급 한 48V 전원 공급 장치 응용 프로그램에서 하이브리드 커패시터는 보드 비용, 보증 비용 및 높은 리플 전류를 견딜 수있는 능력의 감소로 인한 절감과 함께 해당 알루미늄 전해 커패시터보다 총 비용이 50 % 낮았습니다 도 3 참조).

그림 3 : 하이브리드 커패시터는 높은 리플 전류를받을 때 높은 신뢰성을 나타냅니다. 최근 테스트에서 커패시터는 무부하 및 정격 리플 전류 (1300mA) 조건에서 전기적 특성을 보였다. 3 배의 정격 리플 전류 (3600mA)에서 커패시터의 전기적 특성은 변하지 만 부족은 발생하지 않았다.

ROB O 'CONNOR, Panasonic 산업용 장치의 커패시터 사업부 제품 매니저, www.panasonic.com/industrial