Zalety wielowarstwowych, wysokonapięciowych kondensatorów polimerowych PMLCAP

Podstawowe informacje:

• brak efektu piezoelektrycznego i związanych z nim efektów akustycznych,
• brak wpływu napięcia polaryzacji DC na pojemność,
• stabilna pojemność w szerokim zakresie temperatury,
• brak ryzyka zwarcia, zapłonu i dymu,
• możliwość zastosowań jako zamienników kondensatorów MLCC w high-endowych aplikacjach audio,
• dotychczasowa sprzedaż ponad 300 milionów sztuk,
• liczne zastosowania w motoryzacji, a także w lądowniku marsjańskim InSight opracowanym przez NASA.

Obecnie kondensatory PMLCAP są dostępne w ramach serii MU i MS na zakres napięcia znamionowego od 10 do 100 V. W porównaniu z metalizowanymi kondensatorami foliowymi, ich powierzchnia może być ograniczona nawet 10-krotnie przy zachowaniu podobnych parametrów elektrycznych. Choć ich rozmiar może być nieco większy w porównaniu z kondensatorami wielowarstwowymi MLCC, kondensatory PMLCAP nie wykazują niepożądanych cech, typowych dla MLCC, takich jak efekt piezoelektryczny i wpływ napięcia polaryzacji DC.

Obecnie firma Rubycon projektuje kondensatory PMLCAP w wersjach wysokonapięciowych na zakres od 500 V do 900 V. W fazie rozwojowej są dwie serie: HPB (typu box) na zakres pojemności od 5 μF do 25 μF i HPM (typu modułowego). Co wyróżnia wysokonapięciowe kondensatory PMLCAP? Oto zestawienie najważniejszych faktów:

 

Rys. 1. Kondensatory PMLCAP

Małe gabaryty: Redukcja objętości o blisko 50% w porównaniu z kondensatorami foliowymi

Wysokonapięciowe kondensatory PMLCAP mogą być o prawie 50% mniejsze od obecnych kondensatorów foliowych o równoważnych specyfikacjach. Ta znacząca redukcja rozmiaru wynika z różnicy stałych dielektrycznych kondensatorów foliowych, wykorzystujących polipropylen (2,1...2,2) i kondensatorów PMLCAP, wykorzystujących akryl (2,9). W rezultacie kondensatory PMLCAP wykazują większą zdolność do magazynowania ładunku elektrycznego od kondensatorów polipropylenowych. W kondensatorach obecnej serii HPB firma Rubycon uzyskała 30-procentową redukcję objętości w porównaniu z kondensatorami foliowymi o równoważnych parametrach (tab. 1).

Celem prac prowadzonych przez Rubycon jest zwiększenie gradientu napięcia w kondensatorach PMLCAP z obecnych 250 V/μm, typowych dla kondensatorów foliowych, do 300 V/μm. Osiągnięcie tego umożliwi zmniejszenie objętości kondensatorów serii HPB o blisko 50% w porównaniu z obecnymi kondensatorami foliowymi o zbliżonych parametrach.

Downsizing: Miniaturyzacja gabarytów, dzięki zwiększonemu do 300 V/μm gradientowi napięcia

Im większy gradient napięcia, tym mniejszy rozmiar kondensatora. Aby zwiększyć gradient napięcia w kondensatorach foliowych, stosowana jest „komórkowa” struktura metalizacji, zapewniająca ochronę przed zwarciem i niekontrolowanym wzrostem temperatury (rys. 2). Zwiększenie liczby komórek na tej samej powierzchni warstwy foliowej zapewnia stabilną pojemność, nawet jeśli któraś komórka ulegnie uszkodzeniu. Jednocześnie zwiększenie liczby komórek na tym samym rozmiarze warstwy zmniejsza ich wymiary i obniża sumaryczną pojemność kondensatora. Ponieważ jest to już dojrzała technologia, konieczne jest wprowadzenie kolejnej innowacji inżynieryjnej, pozwalającej na zwiększenie gradientu napięcia.

 

Rys. 2. Zabezpieczające działanie struktury "komórkowej" kondensatora foliowego

W kondensatorach PMLCAP nie jest stosowana tego typu struktura. Aby osiągnąć większy gradient napięcia, stosuje się tu odpowiedni dobór materiałów, zmiany strukturalne itp. Firma Rubycon przewiduje osiągnięcie gradientu 300 V/μm w najbliższym czasie, a w planach ma przekroczenie tej wartości.

Rezystancja termiczna: Brak problemów przy pracy w temperaturze 125°C, a w przyszłości również do 150°C

Materiał dielektryczny kondensatora foliowego jest zazwyczaj termoplastyczny, przy czym powszechnie stosuje się folię PP, ze względu na jej mały współczynnik rozproszenia i związane z nim małe straty. Jednak temperatura topnienia PP mieści się w zakresie 160...170°C, w związku z czym, nawet podczas pracy w temperaturze 125°C, istnieje ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury. Natomiast materiałem dielektrycznym kondensatorów PMLCAP jest akryl, który jest materiałem termoutwardzalnym. Choć rozkłada się w temperaturze 400°C, nie ma temperatury topnienia. Dlatego kondensatory PMLCAP nie stwarzają żadnego ryzyka podczas pracy w temperaturze 125°C. Może też wytrzymać większy wzrost temperatury przy zwiększonym prądzie tętnienia. W związku z tym im większa temperatura i prąd tętnienia, tym korzystniejsze jest zastosowanie kondensatorów PMLCAP.

Możliwość montażu SMT: Odporność na lutowanie w procesie rozpływowym

Wyjątkowa odporność termiczna kondensatorów PMLCAP daje możliwość ich montażu powierzchniowego w procesie rozpływowym. Już teraz wersje niskonapięciowe serii MU i MS są dostępne jako elementy SMD. W przyszłości planowane jest wprowadzenie na rynek również wersji wysokonapięciowych jako elementów SMD.

Stabilne napięcie: Brak konieczności obniżania napięcia w zakresie do 125°C

Jeśli kondensator foliowy ma pracować w środowisku wysokonapięciowym i wysokotemperaturowym, należy wziąć pod uwagę konieczność obniżenia jego napięcia roboczego. Na przykład 900-woltowy kondensator foliowy w temperaturze 125°C nie może pracować przy tym napięciu. W takim przypadku należy zastosować odpowiednik o większym napięciu znamionowym.

Jedną z ważniejszych zalet kondensatorów PMLCAP jest brak konieczności obniżania napięcia w całym zakresie dopuszczalnej temperatury pracy. Nawet w temperaturze 125°C, zarówno kondensatory serii HPB, jak i HPM, mogą pracować przy pełnym napięciu znamionowym, co stwarza kolejną okazję do miniaturyzacji podzespołów. Nie ma już potrzeby stosowania kondensatorów foliowych o napięciu znamionowym 1000 V lub większym w aplikacjach 900 V. Zamiast tego wybór mniejszych kondensatorów PMLCAP 900 V daje dodatkowe zalety (rys. 3).

 

Rys. 3. Brak deratingu i odporność na wysoką temperaturę dają dodatkową możliwość miniaturyzacji podzespołów

Prąd tętnienia powyżej 10 kHz: Możliwość współpracy z komponentami SiC i nowymi technologiami w systemach konwersji mocy

Współczynnik rozproszenia dla kondensatorów PMLCAP wynosi 0,5% na częstotliwości 1 kHz, co jest większą wartością niż w przypadku kondensatorów foliowych PP (0,02%). Konsekwencją tego są większe straty, wynikające z właściwości materiałowych (tab. 2).

Jednakże jest to wadą wyłącznie w zakresie mniejszych częstotliwości pracy do około 1 kHz. Gdy zasilacz pracuje z większą częstotliwością taktowania, np. powyżej 10 kHz, kondensatory PMLCAP wykazują zalety w postaci zwiększonej odporności na prąd tętnienia (rys. 4).

 

Rys. 4. Różnice impedancji w funkcji częstotliwości

Współczynnik rozproszenia powyżej 10 kHz jest bardziej uzależniony od struktury kondensatora. Aby umożliwić miniaturyzację komponentów przy większych napięciach roboczych, wewnętrzne warstwy kondensatorów PMLCAP są połączone szeregowo, co odpowiada kondensatorom w połączeniu szeregowym. Na rysunku 5 oraz w tabeli 3 przedstawiono porównanie typowego kondensatora foliowego i kondensatora PMLCAP serii 5. Jak widać, rezystancja elektrody w przypadku PMLCAP jest 5-krotnie mniejsza, biorąc pod uwagę różnicę długości.

 

Rys. 5. Porównanie typowego kondensatora foliowego i kondensatora PMLCAP serii 5

Ponadto struktura szeregowa zapewnia lepsze rozpraszanie ciepła. Przewodnictwo cieplne w kierunku poziomym jest około 2,3 razy większe od przewodnictwa typowego kondensatora foliowego. Taka konstrukcja jest w stanie rozproszyć większy prąd tętnienia, powodujący emisję ciepła.

Niezawodność produkcji: Rubycon jest obecnie jedynym producentem wielkoseryjnym

Od ponad dekady firma Rubycon jest jedynym producentem wielkoseryjnym kondensatorów PMLCAP. Są one obecnie szeroko stosowane w różnych sektorach, począwszy od elektroniki konsumenckiej po motoryzację, a nawet eksplorację kosmosu – zostały zastosowane w lądowniku marsjańskim InSight. Należy jednak zauważyć, że technologia PMLCAP została opracowana jeszcze przed zaangażowaniem się Rubyconu w produkcję. Firma była tylko jednym z uczestników rozwoju tej technologii. Obecnie kilku innych producentów rozpoczęło prace nad podobnymi kondensatorami.

Niemniej jednak, jeden fakt pozostaje oczywisty: wśród producentów wysokonapięciowych kondensatorów polimerowych Rubycon jest jedynym producentem wielkoseryjnym z dużym doświadczeniem. Zdolność firmy do utrzymania stabilnej produkcji przy zachowaniu wysokiej jakości kondensatorów wyróżnia ją na tle nowicjuszy.

Zastosowania: Zamienniki wielu innych typów kondensatorów

Ze względu na opisane powyżej cechy PMLCAP są obecnie postrzegane jako zamienniki kondensatorów foliowych DC-link, powszechnie stosowanych w aplikacjach wysokotemperaturowych, takich jak falowniki samochodowe i skrzynie biegów. Do ich najważniejszych zalet należą małe wymiary i masa, brak deratingu, zmniejszone ryzyko awarii w środowiskach wysokotemperaturowych i odporność na duże prądy tętnienia.

Codico
www.codico.com