全球首個軸向引線式聚合物混合鋁電解電容器

      *注：作者Welkin Wang (王濤先生)是TDK 電子大中華區鋁電解產品市場部經理

      高功率密度、 小體積、 低重量以及高可靠性是客戶對汽車電子系統的要求。 這些要求同樣適用于鋁電解電容器等個別元件。 而降低等效串聯電阻 (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 在元件行業內豎立的又一領先標桿。

　　大部分的汽車系統都要求在某單位體積內具有極高的電容量，而鋁電解電容器正好提供這種特性，從而穩定工作電壓，保障系統的功能可靠。最近幾年， TDK 集團開發并不斷優化了鋁電解電容器，特別是針對汽車應用。其中軸向式電容器是目前這些開發工作的最佳成果，它能承受高達 60 g 的抗振動能力，允許最高使用溫度達 150℃。 而鋁電解電容器的一項重要特征是其等效串聯電阻 (ESR)：當施加了交變電流(波紋電流)時，電流將會加熱元件，從而導致跟ESR 等比例的功率損失 (P_L = ESR x I²_AC)。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無法跨越式降低等效串聯電阻值。其主要原因在于普通液態電解液的低導電性。這種離子導體的導電性只有約 0.01 S/cm。作為對比：銅等純金屬的導電性約為 58 x104 S/cm。

　　聚合物混合技術可顯著降低等效串聯電阻 (ESR)

　　為顯著降低等效串聯電阻 (ESR)， TDK 集團轉向開發聚合物混合技術，它將具有約1000 S/cm 的高導電性聚合物與液態電解質結合在一起。圖 1 顯示了聚合物混合鋁電解電容器的內部設計。

　　圖1：聚合物混合鋁電解電容器的內部設計

　　除了降低等效串聯電阻 (ESR) 以外，相比于僅使用聚合物，混合技術還提供了另一個優勢：聚合物混合鋁電解電容器具有自愈性，能對鋁電解電容器電介質氧化層中的缺陷進行再氧化。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度、耐溫性以及耐用性。

　　與同等尺寸的液體電解質技術相比，現有的聚合物混合技術提供了 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較低。

　　更高的電容值和功率密度

　　TDK 集團顯著地改善了聚合物混合鋁電容器的電流技術，實現了更高的電容值和功率密度，并具有更低的等效串聯電阻 (ESR)。其中采用的專利材料、工藝和設計創新包括：

　　? 優化的結構和固態/液態電解液成分

　　? 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現超低金屬電阻，從而充分利用聚合物的高導電性，即使在大型設計中仍可使用。

　　全球首個軸向引線式聚合物混合鋁電容器

　　以此為基礎， TDK 集團成功開發了全球首個軸向式設計的聚合物混合鋁電容器。這種全新的技術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 390 μF 至 2200 μF，并且典型等效串聯電阻(ESR)極 低，僅為 2 m? 至 3.5 m?。這種新的電容器結構緊湊，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 ，等效串聯電阻極低，典型值為 2 m? 至 3.5 m?。

　　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電阻 (ESR)。

　　圖3：聚合物混合鋁電解電容器與標準鋁電解電容器的等效串聯電阻 (ESR) 比較。

　　減少元件數量， 縮小系統空間

　　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量，節約了大量空間。在此之前，為實現汽車應用所需的高電流能力，用戶通常必須并聯多個標準鋁電解電容器，占用了大量空間，或者使用多個現有的低電容聚合物混合 SMD 鋁電解電容器。使用單個元件還可以減少焊點的數量，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用領域是 48 V 系統的額定電壓在 25 V, 35 V 和63 V 的直流鏈路變頻器，且這種應用在混合動力汽車中日益流行。更多的潛在應用包括電子助力轉向系統(EPS)和風扇控制單元。

　　緊湊的 SMD 系列系列不僅尺寸小且等效串聯電阻低

　　除了軸向引線式混合聚合物鋁電解電容器， TDK 還開發了 SMD 系列(圖 4)。額定電壓為 25V 至 35 V 時，新系列電容器的容值為 270μF 至 330μF。憑借其混合聚合物技術特性，這些尺寸僅為 10 mm x 10.5 mm(直徑 x 高)的電容器可實現低于 18 m? 的等效串聯電阻值。

　　圖4: 額定電電電 25 V 至 35 V 時，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，典型等效串聯電阻值低于 18 m?。

　　TDK 集團將繼續開發聚合物混合技術以覆蓋更高的電壓等級，包括遠大于 100 V 的電壓范圍。同時，更大電容的軸向式設計也正處于研發階段。通過進一步擴展聚合物混合鋁電解電容器的產品線， TDK 集團將繼續設法滿足汽車開發工程師對更高功率密度、小型化及可靠性的需求。