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[导读]高功率密度、小体积、低重量以及高可靠性是客户对汽车电子系统的要求。这些要求同样适用于铝电解电容器等个别元件。而降低等效串联电阻 (ESR)在这方面显得特別重要。全新轴向引线式聚合物混合铝电解电容器,正是 TDK 在元件行业内竖立的又一领先标杆。

Mr. Welkin Wang (王涛 先生)

TDK 电子大中华区铝电解产品市场部经理

高功率密度、小体积、低重量以及高可靠性是客户对汽车电子系统的要求。这些要求同样适用于铝电解电容器等个别元件。而降低等效串联电阻 (ESR)在这方面显得特別重要。全新轴向引线式聚合物混合铝电解电容器,正是 TDK 在元件行业内竖立的又一领先标杆。

大部分的汽车系统都要求在某单位体积内具有极高的电容量,而铝电解电容器正好提供这种特性,从而稳定工作电压,保障系统的功能可靠。最近几年,TDK 集团开发并不断优化了铝电解电容器,特别是针对汽车应用。其中轴向式电容器是目前这些开发工作的最佳成果,它能承受高达 60 g 的抗振动能力,允许最高使用温度达 150℃。而铝电解电容器的一项重要特征是其等效串联电阻 (ESR):当施加了交变电流(波纹电流)时,电流将会加热元件,从而导致跟ESR 等比例的功率损失QQ截图20190325143408.jpg。因此,ESR 和热阻是限制铝电解电容器电流能力的主要因素。

通过多加芯子的引线条等等手段可逐步降低 ESR,从而提高铝电解电容器的电流能力,但这种逐步式的改进无法跨越式降低等效串联电阻值。其主要原因在于普通液态电解液的低导电性。这种离子导体的导电性只有约 0.01 S/cm。作为对比:铜等纯金属的导电性约为 58 x104S/cm。

聚合物混合技术可显著降低等效串联电阻 (ESR)

为显著降低等效串联电阻 (ESR),TDK 集团转向开发聚合物混合技术,它将具有约

1000 S/cm 的高导电性聚合物与液态电解质结合在一起。图 1 显示了聚合物混合铝电解电容器的内部设计。

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图 1:聚合物混合铝电解电容器的内部设计

除了降低等效串联电阻 (ESR) 以外,相比于仅使用聚合物,混合技术还提供了另一个优势:聚合物混合铝电解电容器具有自愈性,能对铝电解电容器电介质氧化层中的缺陷进行再氧化。因此,相比于纯聚合物铝电容器,聚合物混合铝电解电容器具有更高的介电强度、耐温性以及耐用性。

与同等尺寸的液体电解质技术相比,现有的聚合物混合技术提供了 2 至 5 倍的更高波纹电流能力,具体取决于温度和额定电压。目前,市场上此类电容器的电容值和额定电压值相对较低。更高的电容值和功率密度

TDK 集团显著地改善了聚合物混合铝电容器的电流技术,实现了更高的电容值和功率密度,并具有更低的等效串联电阻 (ESR)。其中采用的专利材料、工艺和设计创新包括:

· 优化的结构和固态/液态电解液成分

· 将聚合物材料填充至大的芯子绕组中

· 通过多引线条接头实现超低金属电阻,从而充分利用聚合物的高导电性,即使在大型设计中仍可使用。

全球首个轴向引线式聚合物混合铝电容器

以此为基础,TDK 集团成功开发了全球首个轴向式设计的聚合物混合铝电容器。这种全新的技术可提供无与伦比的电容能力,在 25 V 至 63 V 的额定电压下,电容可达 390 µF 至 2200 µF,并且典型等效串联电阻(ESR)极 低,仅为 2 mΩ 至 3.5 mΩ。这种新的电容器结构紧凑,尺寸仅为 14 mm x 25 mm(直径 x 高)至 16 mm x 30 mm(直径 x 高) (图 2)。

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图 2:全球首个轴向引线式聚合物铝电解电容器,电容值为 390 µF 至 2200 µF ,等效串联电阻极低, 典型值为 2 mΩ 至 3.5 mΩ。

与一般铝电解电容器相比,全新聚合物混合铝电解电容器的等效串联电阻值非常小。。因此, 这种新的电容器提供了极高的波纹电流能力,为一般铝电解电容器的 2 至 10 倍。例如,图 3 比较了聚合物混合铝电解电容器与一般铝电解电容器的等效串联电阻 (ESR)。

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图 3:聚合物混合铝电解电容器与标准铝电解电容器的等效串联电阻 (ESR) 比较。

減少元件数量,缩小系统空间

由于具有高波纹电流能力,这种全新的轴向引线式聚合物混合铝电解电容器具有极高的功率密度,从而显著减少了所需元件的数量,节约了大量空间。在此之前,为实现汽车应用所需的高电流能力,用户通常必须并联多个标准铝电解电容器,占用了大量空间,或者使用多个現有的低电容聚合物混合 SMD 铝电解电容器。使用单个元件还可以减少焊点的数量,从而确保更高的可靠性。

这种全新的聚合物混合铝电解电容器的典型应用领域是 48 V 系统的额定电压在 25 V, 35 V 和

63 V 的直流链路变频器,且这种应用在混合动力汽车中日益流行。更多的潜在应用包括电子助力转向系统(EPS)和风扇控制单元。

紧凑的 SMD 系列不仅尺寸小且等效串联电阻低

除了轴向引线式混合聚合物铝电解电容器,TDK 还开发了 SMD 系列(图 4)。额定电压为 25

V 至 35 V 时,新系列电容器的容值为 270µF 至 330µF。凭借其混合聚合物技术特性,这些尺寸仅为 10 mm x 10.5 mm(直径 x 高)的电容器可实现低于 18 mΩ 的等效串联电阻值。

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图 4: 额定电电电 25 V 至 35 V 时,混合聚合物铝电解电容器的新型 SMD 系列的电容值电 270 µF 至330 µF,典型等效串联电阻值低于 18 mΩ。

TDK 集团将继续开发聚合物混合技术以覆盖更高的电压等级,包括远大于 100 V 的电压范围。同时,更大电容的轴向式设计也正处于研发阶段。通过进一步扩展聚合物混合铝电解电容器的 产品线,TDK 集团将继续设法满足汽车开发工程师对更高功率密度、小型化及可靠性的需求。

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