全球首個軸向引線式HP鋁電解電容器,到底好在哪兒?

    不久前，TDK公司推出了全球首個軸向引線式聚合物混合鋁電解電容器。為此，TDK 電子大中華區鋁電解產品市場部經理王濤先生向媒體介紹了該產品的特色。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201904/399450.htm

問：此產品主要適用的領域是哪些？

答：主要面向汽車領域，針對具有很高紋波電流能力要求的12/48V直流母線應用。因為從原理上講，HP軸向引線式電容器可在空間有限同時需要較大紋波電流的應用（例如汽車電子）中發揮最大的優勢，但是它們也可以用於通信和電源等領域。      

TDK首次推出的新型HP技術產品（如下圖）包括如下指標。

·電容量：390µF – 2100µF

·電壓等級：25V到63V

·尺寸：14×25 mm到16×30 mm (d x h)

·工作溫度：最高可達150°C

圖：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 mΩ 至 3.5 mΩ。

問：新款電容器的創新在哪裡？可以解決哪些應用痛點？

答：混合式聚合物（HP）軸向引線鋁電解電容器的主要創新在於：將軸向引線電容器金屬電阻很小的特點與HP電解質導電率很高（因而電解質ＥＳＲ很小）的特點集於一身。因而能夠進一步獲得小型化，或者在同樣體積下獲得更大的紋波電流密度。因此總體上，可以實現更加緊湊的設計。

問：當前電動和混動汽車的總線電壓需要兼顧12V和48V，TDK在開發鋁電解電容器時會如何滿足汽車工程師對更高功率密度、小型化及可靠性的需求？

答：TDK所推出的HP技術就是根據市場需求持續開發的結果，48V應用（輕混電機逆變器）需要越來越大的功率，因此需要在有限空間內提供更大的紋波電流能力。

問：相對於常規產品，新產品的優勢如何?

答：在對電子設備進行全新設計時，節省空間的好處是可帶來積極的總體性價比優勢，更大的紋波電流能力有助於實現非常緊湊的設計。

    具體地，王濤先生的詳細介紹如下。

    新鋁電解電容器推出的背景

    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。 這些要求同樣適用於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杆。

　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 集團開發並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徵是其等效串聯電阻 (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。其主要原因在於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。

　除了降低等效串聯電阻 (ESR) 以外，相比於僅使用聚合物，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，相比於純聚合物鋁電容器，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，具體取決於溫度和額定電壓。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，並具有更低的等效串聯電阻 (ESR)。其中採用的專利材料、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，並且典型等效串聯電阻(ESR)極 低，僅為 2 mΩ 至 3.5 mΩ。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) 。

　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。

　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(如下圖)。額定電壓為 25V 至 35 V 時，新系列電容器的容值為 270µF 至 330µF。憑藉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)的電容器可實現低於 18 mΩ 的等效串聯電阻值。

　圖: 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於 18 mΩ。

　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，包括遠大於 100 V 的電壓範圍。同時，更大電容的軸向式設計也正處於研發階段。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。