Гибридные конденсаторы Panasonic: взять лучшее от электролитов и полимеров

8 сентября 2020

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Гибридные конденсаторы представляют особый интерес для пользователей. Они унаследовали от полимерных конденсаторов такие достоинства как устойчивость к импульсам тока, повышенную надежность и низкое собственное сопротивление, а также характеризуются высокой емкостью и низким током утечки, как у алюминиевых электролитов. Благодаря этому гибридные конденсаторы могут с успехом заменить традиционные алюминиевые конденсаторы в широком спектре низковольтных приложений.

Выпуск полимерных конденсаторов начался в 90-е годы прошлого века. За это время они прошли значительный путь развития и доказали свою конкурентоспособность в широком спектре приложений. Если сравнивать полимерные конденсаторы с обычными алюминиевыми электролитами, то можно отметить их повышенную надежностью, минимальный ESR (от 2 мОм), отличную температурную и временную стабильность характеристик, отсутствие зависимости емкости от напряжения (так называемый эффект DC-bias). С другой стороны, электролиты могут иметь рейтинг напряжения до сотен вольт и обладают высокой удельной емкостью. Разумеется, любой разработчик хотел бы иметь в своем распоряжении конденсаторы, которые объединяли бы все эти достоинства. Ближе всего к идеалу приблизились гибридные конденсаторы.

В настоящей статье рассматривается конструкция и основные достоинства гибридных конденсаторов на примере продукции Panasonic.

Конструкция гибридных конденсаторов

В настоящий момент пользователям доступны различные типы полимерных и алюминиевых электролитических конденсаторов. В частности, компания Panasonic выпускает полимерные конденсаторы плоской и рулонной конструкций для поверхностного SMD-монтажа монтажа и монтажа в отверстия.

Конструкция рулонного выводного полимерного конденсатора практически идентична структуре алюминиевого электролита, с той лишь принципиальной разницей, что вместо электролита между электродами размещается проводящий твердый полимер (рисунок 1).

Рис. 1. Конструкция выводного полимерного конденсатора

Структура гибридных конденсаторов предполагает одновременное использование и твердого полимерного слоя, и электролита, а также традиционного алюминиевого катода (рисунок 2). Такое решение обеспечивает повышенную проводимость и низкий ESR, как в случае полимерных конденсаторов, а также возможность обеспечения высокого рейтинга напряжения и значительной удельной емкости, как в случае алюминиевых электролитов. Разумеется, ESR гибридных конденсаторов оказывается выше, чем у полимерных, а по величине емкости они уступают алюминиевым электролитам. Однако по совокупности своих качеств гибридные конденсаторы становятся отличной альтернативой для алюминиевых электролитов в целом ряде промышленных и автомобильных низковольтных применений.

Рис. 2. Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора

Электрические и эксплуатационные характеристики гибридных конденсаторов

Рассмотрим подробнее те достоинства гибридных конденсаторов, которые они получили «в наследство» от полимерных.

Низкое последовательное сопротивление (ESR) и отличные частотные характеристики

Полимерные конденсаторы отличаются минимальным значением последовательного эквивалентного сопротивления (ESR). Так, например, для полимерных конденсаторов производства Panasonic ESR начинается с 2 мОм. Разумеется, для гибридных конденсаторов ESR несколько больше (с 11 мОм), но все равно это значительно меньше чем у танталов и электролитов.

Именно ESR ограничивает импеданс конденсатора в точке резонанса (рисунок 3). Чем меньше значение ESR, тем эффективнее конденсатор справляется с подавлением помех. Говоря о снижении ESR, не стоит забывать также и об уменьшении разогрева конденсатора в процессе работы.

В результате при прочих равных условиях гибридные конденсаторы могут в ряде случаев заменять не только электролиты, но и связку из электролитов и керамических конденсаторов.

Рис. 3. Снижение ESR позволяет уменьшить потери и снизить пульсации напряжения

Высокая стабильность емкости

В отличие от многослойных керамических конденсаторов с диэлектриком (X7R/X5R/Y5V), полимерные конденсаторы характеризуются минимальной зависимостью емкости от температуры и приложенного напряжения. У них также отсутствует эффект DC-bias.

Эти же преимущества демонстрируют и гибридные конденсаторы (рисунок 4). Их емкость гораздо меньше зависит от температуры и рабочей частоты по сравнению с алюминиевыми электролитами. На рисунке 4 видно, что на частоте более 100 кГц емкость гибридного конденсатора с номиналом 100 мкФ оказывается выше чем емкость электролитического конденсатора с номиналом 1000 мкФ. При этом габаритные размеры и последовательное сопротивление гибридного конденсатора при 20°С оказываются существенно меньше.

Рис. 4. По сравнению с алюминиевыми электролитами гибридные конденсаторы отличаются высокой стабильностью емкости: а) на высоких частотах; б) при низких температурах

Устойчивость к пробоям

Одним из больших плюсов полимерных конденсаторов является эффект самовосстановления, который демонстрируется на рисунке 5. При возникновении пробоя ток короткого замыкания локализуется в точке пробоя. Далее в области локального перегрева образуется непроводящий слой, который препятствует дальнейшему протеканию тока. Аналогичный механизм характерен и для гибридных конденсаторов. Причем у гибридных конденсаторов эффект изоляции дополнительно усиливается за счет окисления алюминия жидким электролитом.

Рис. 5. Восстановление изоляции при пробое полимерного конденсатора

Высокая долговременная стабильность

Одним из существенных недостатков алюминиевых электролитов является значительное снижение емкости в течение срока службы даже при отсутствии импульсов тока и высоких рабочих температур. Понятие «высохший электролит» знакомо практически каждому электронщику. Если же электролитическому конденсатору приходится работать при высокой температуре или частых импульсах тока, то ситуация становится еще хуже. Чтобы гарантировать нормальную работу устройства, разработчикам приходится закладывать большой запас по емкости.

Гибриды характеризуются повышенной длительной стабильностью (рисунок 6). Так, например, компания Panasonic предлагает серии конденсаторов со сроком службы до 1000 часов при температуре 150°С и больших импульсах тока.

Рис. 6. Гибридные конденсаторы отличаются долговременной стабильностью даже при повышенных температурах и больших импульсах тока

Стоит отметить, что несмотря на устойчивость к повышенным температурам, срок службы гибридных конденсаторов зависит от рабочей температуры. Оценить ожидаемый срок службы можно по формуле 1:

$$L_{2}=L_{1}\times 2^{\frac{T_{1}-T_{2}}{10}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

• L1 – гарантированный срок службы при температуре T1 (табличный параметр);
• L2 – ожидаемый срок службы при температуре T

На практике удобно использовать следующее правило: при уменьшении рабочей температуры на 10°С ожидаемый срок службы конденсатора увеличивается в два раза.

В качестве небольшого итога можно сравнить характеристики конденсаторов равных габаритов (диаметр 6,3 мм) и равных рейтингов напряжения (таблица 1). По сравнению с алюминиевым электролитом гибридный конденсатор даже при меньшей высоте корпуса демонстрирует увеличенную емкость, повышенную устойчивость к импульсам тока, меньший ESR и вдвое больший срок службы.

Таблица 1. Сравнение характеристик

Все перечисленные преимущества делают гибридные конденсаторы отличной альтернативой электролитам в низковольтных приложениях.

В качестве конкретных примеров гибридных конденсаторов можно рассмотреть продукцию компании Panasonic.

Обзор гибридных конденсаторов производства Panasonic

Компания Panasonic выпускает несколько серий гибридных конденсаторов (таблица 2, рисунок 7):

• ZA – базовая серия гибридных конденсаторов с низким ESR, рейтингом напряжения ≤80 В и сроком службы до 10000 часов при 105°С;
• ZC – серия конденсаторов с низким ESR, рейтингом напряжения ≤80 В, расширенным температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZE – высокотемпературная серия конденсаторов с рейтингом напряжения ≤63 В, температурным диапазоном до 145°С и сроком службы до 2000 часов при 145°С;
• ZK – серия конденсаторов повышенной емкости (до 470 мкФ) с рейтингом напряжения ≤35 В, температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZKU – серия конденсаторов повышенной емкости (до 560 мкФ) с рейтингом напряжения ≤35 В, температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZS – серия конденсаторов повышенной емкости (до 560 мкФ) с рейтингом напряжения ≤63 В, диапазоном рабочих температур до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZF – высокотемпературная серия конденсаторов с рейтингом напряжения ≤63 В, емкостью до 270 мкФ, диапазоном рабочих температур до 150°С и сроком службы до 1000 часов при 150°С.

Таблица 2. Характеристики серий гибридных конденсаторов Panasonic

Рис. 7. Линейка гибридных конденсаторов Panasonic

В таблице 3 представлены характеристики наиболее популярных моделей конденсаторов разных серий.

Таблица 3 Характеристики популярных моделей гибридных конденсаторов

Говоря о преимуществах гибридных конденсаторов Panasonic, стоит отметить соответствие требованиям AEQ и наличие вибростойких исполнений. Вибростойкие конденсаторы отличаются особой конструкцией выводов и способны выдерживать вибрационные нагрузки до 30g. Очевидно, что такие модели будут востребованы в автомобильных и промышленных приложениях.

Наименование гибридных конденсаторов Panasonic содержит название серии, рейтинг напряжения, номинал емкости и форму поставки (лента), как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Наименование гибридных конденсаторов Panasonic

Преимущества использования гибридных полимерных конденсаторов

Ранее было отмечено, что по сравнению с электролитами гибридные полимерные конденсаторы производства компании Panasonic отличаются минимальной температурной зависимостью, низким ESR, отличными частотными характеристиками, повышенной надежностью, длительным сроком службы, наличием вибростойких исполнений и сертификацией AEQ. Эти преимущества делают гибридные полимерные конденсаторы идеальной альтернативой для промышленных и автомобильных низковольтных приложений. Рассмотрим некоторые примеры. 

Автомобильные электронные модули

Автомобильная техника предъявляет суровые требования к электронным компонентам, так как им приходится работать в достаточно жестких условиях. Речь идет о широком диапазоне рабочих температур, вибрационных нагрузках и жестких требованиях ЭМС.

Разработчики электронных автомобильных модулей недолюбливают алюминиевые электролиты из-за их низкой температурной и временной стабильности. При нагреве и в процессе длительной эксплуатации емкость электролитического конденсатора может уменьшаться, что снижает эффективность борьбы с помехами. Чтобы этого избежать, используют батареи конденсаторов с огромным запасом по емкости (рисунок 9). Использование нескольких параллельных электролитов необходимо и для обеспечения требуемых импульсных токов. Очевидно, что такое решение не может быть компактным.

Так как емкость гибридных конденсаторов слабо зависит от температуры, а их импульсный ток оказывается существенно выше, то для решения той же задачи можно использовать меньшее количество конденсаторов.

Пример замены электролитов на гибриды поясняется в таблице 4. Несмотря на кратное уменьшение занимаемого места, гибриды демонстрируют меньшее значение ESR и больший импульсный ток.

Рис. 9. Использование конденсаторов большой емкости в автомобильных модулях

Таблица 4. Пример замены электролитов на гибридные конденсаторы в автомобильном устройстве

Промышленные импульсные устройства

Перечисленные преимущества делают гибридные конденсаторы альтернативой для электролитов и в промышленных импульсных устройствах, таких как приводы электродвигателей, инверторы, импульсные блоки питания и так далее (рисунок 10).

Рис. 10. Использование конденсаторов в промышленных устройствах

В таблице 5 представлен пример замены электролитов на гибриды в одном из подобных промышленных устройств. В данном случае батарея гибридных конденсаторов обеспечивает более высокий импульсный ток и предполагаемый срок службы при меньших габаритах.

Таблица 5. Пример замены электролитов на гибридные конденсаторы в промышленном устройстве

Заключение

Гибридные конденсаторы вобрали в себя лучшие качества полимерных и электролитических конденсаторов: большую удельную емкость, низкий ESR, отличные частотные характеристики, высокую стабильность емкости и повышенную надежность.

Благодаря этим преимуществам гибридные конденсаторы становятся отличной альтернативной электролитам в широком спектре промышленных и автомобильных приложений.

В настоящий момент компания Panasonic предлагает широкий выбор гибридных конденсаторов нескольких серий с емкостью до 560 мкФ, рейтингом напряжения до 80 В, ESR от 11 мОм и диапазоном рабочих температур до -55…150°C.

Литература

1. Understanding Polymer and Hybrid Capacitors. Advanced capacitors based on conductive polymers maximize performance and reliability.
2. Conductive Polymer Hybrid Aluminum Electrolytic Capacitors Products.