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奇才vs雷霆:高耐壓、高容量、小尺寸的獨石電容器StackiCapTM——應對壓電效應失效的電容器解決方案

nba奇才vs湖人 www.aokkq.club 2015/11/17 14:26:48 來源:互聯網 電力電子論壇|免費發布產品

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nba奇才vs湖人 www.aokkq.club   在電源行業,一些應用需要高耐壓、高容量的電容器,例如在開關電源中作輸入輸出濾波,儲能,尖峰吸收,DC-DC轉換,直流阻隔,電壓倍乘等等,此外,在一些應用中,尺寸和重量非常重要,需要小體積的電子元器件。

  高耐壓、高容值的電容器一般通過電解電容或者薄膜電容來實現,其體積一般較大。盡管經過多年的發展,高耐壓、高容量的電容器的小型化進展還是十分有限。當前取得的進展主要在高耐壓方面,但是很難同時兼顧高容量;或者是達到高容量但是電壓一般小于50V。

  為了同時獲取高耐壓和高容量,業界常見的做法是依據DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的規范將多個陶瓷電容器疊加在一起,這種做法占據空間較大且較重,并且價格昂貴。因此,業內一直存在著對更輕、更小的高耐壓、高容量的電容器的需求。

  過往技術局限

  

《國際電子商情》

 

  

《國際電子商情》

 

  

《國際電子商情》

 

  失效模式決定了設計上的局限,而多種失效模式的存在也限制了中、高耐壓電容器的容值提升。

  有些失效模式是外在的,如機械應力或熱應力導致的斷裂,但同時我們也需要深入探討內在失效模式,這在制造商的管控范圍之內。

  多層陶瓷電容器在設計上的限制因素,隨時代的不同而發生著變化。早期多層陶瓷電容器面臨的主要限制因素,是電介質材料本身的點缺陷和雜質,這些因素影響了材料的質量和純度,如圖1,從而限制了電容器內部層數的上限和每層厚度的最小值。

  隨著電介質材料本身質量的提高和操作流程的改進,限制因素轉變為電介質材料本身的強度,而該因素一旦得到了解決,我們本可以預期制造出更大更厚的電容器,而不必擔心產生介質擊穿或點失效,如圖2。

  可是一種新的失效模式出現了,我們稱之為壓電應力斷裂,通常指壓電效應或者電致伸縮現象,如圖4所示。這種失效模式迄今為止仍是多層陶瓷電容制造所面臨的限制因素。它影響大多數的鈦酸鋇二類(Class II介質,并限制了1210以上尺寸、200V以上耐壓的陶瓷電容器的容值范圍)。

  如圖3所示,斷裂通常沿著一層或兩層介質層貫穿整個電容的中部。大多數的解決方案是將多個電容器通過添加引腳進行疊加,從而在給定尺寸下提高容值,但這需要消耗大量人力,花費較多成本,并會產生可靠性問題。另外的解決方案使用特殊電介質配方,但同時以犧牲介電常數作為代價,并影響最終可獲得的容值大小。

  

《國際電子商情》

 

  圖4. X7R多層陶瓷電容在直流偏壓下的形變

  解決方案

  StackiCapTM是一種應對壓電失效限制的獨石電容解決方案。其應用的專利技術GB Pat./EP2013/061918創新性地在電容器內部加入了一層壓力緩沖層,使得該電容器既可展現出多個疊加電容的性能,同時在制造和加工流程上又具備單個電容器的優點。

  

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  壓力緩沖層使用現成的材料系統組合,并經過標準的制造流程。壓力緩沖層加在機械應力最大的一個或多個部位,從而緩解由于壓電形變而帶來的機械應力。依據目前為止的實驗,壓力緩沖層可以將多層電容器在內部分成2段、3段或4段,從而大幅緩解內部形變帶來的機械應力,同時通過FlexiCapTM柔性端頭技術釋放端頭上的機械應力,這樣我們就不需要將多個電容器進行疊加了,我們也就不需要再給電容器組裝引腳,從而方便標準化的卷帶包裝以及自動化貼裝。

  

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  圖6. SEM顯微圖:“海綿”狀壓力緩沖層的截面

  小型化

  在大幅提高容值的同時,StackiCapTM可實現元件尺寸的顯著縮小。以下圖片直觀地展現了StackiCapTM的優越性。

  

《國際電子商情》

 

  

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  圖7顯示了已經研發的StackiCapTM的各規格產品尺寸:1812,2220,2225和3640。后續研發的5550和8060在此未作圖示。圖8顯示了最多5顆電容疊加的引腳電容組件,單個電容尺寸為2225,3640,5550和8060。圖9和圖10顯示了單個StackiCapTM電容器所能取代的電容組件。一個極端的例子是8060,1kV,470nF的電容如今可被單顆2220,1kV,470nF的StackiCapTM替代;3640,1kV,180nF的電容如今可被單顆1812,1kV,180nF的StackiCapTM替代,體積分別縮小到原來的1/10和1/7。

  

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  產品系列范圍(持續開發中…)

  StackiCapTM與普通電容對比表

  

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  可靠性測試認證

  StackiCapTM已通過如下可靠性測試:

  (1) 壽命測試。StackiCapTM系列電容在125℃,1倍或1.5倍的額定電壓下持續工作1000小時。

  (2) 85/85測試。StackiCapTM系列電容在85℃/85%RH條件下持續工作168小時。

  (3) 彎板測試。StackiCapTM系列電容被安裝在Syfer/Knowles的測試用PCB上進行彎板測試,以評估元件的機械性能。

  截至本文發表時間,StackiCapTM系列電容已累計了超過2,000,000小時的可靠性測試時間。

  針對1812和2220尺寸電容的AEC-Q200 Rev D認證在同步進行中。

 

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