Pochopenie filmových kondenzátorov v jednom článku: Základné znalosti od materiálov po štruktúru

I. Materiál jadra: tenký dielektrický film

Dielektrický film je "srdce" z a filmový kondenzátor , ktoré priamo určuje hornú hranicu základného výkonu kondenzátora. Sú rozdelené hlavne do dvoch kategórií:

1. Tradičné (nepolárne) tenké filmy

Polypropylén (PP, BOPP):

• Výkonnostné charakteristiky: Extrémne nízka strata (DF ~0,02%), stabilná dielektrická konštanta, dobré teplotné a frekvenčné charakteristiky a vysoký izolačný odpor. V súčasnosti je to tenkovrstvový materiál s celkovým výkonom a najširším rozsahom aplikácií.
• Aplikácie: Vysokofrekvenčné, vysokopulzné a vysokoprúdové aplikácie, ako sú invertory, spínané napájacie zdroje, rezonančné obvody a špičkové zvukové výhybky.

Polyester (PET):

• Výkonnostné charakteristiky: Vysoká dielektrická konštanta (~ 3,3), nízka cena a dobrá mechanická pevnosť. Má však relatívne vysoké straty (DF ~0,5 %) a zlé teplotné a frekvenčné charakteristiky.
• Aplikácie: DC a nízkofrekvenčné aplikácie, kde sú požiadavky na pomer kapacity k objemu, ale nie vysoké požiadavky na stratu a stabilitu, ako je spotrebná elektronika, všeobecné blokovanie jednosmerného prúdu a bypass.

Polyfenylénsulfid (PPS):

• Výkonnostné charakteristiky: Vysoká teplotná odolnosť (do 125°C a viac), rozmerová stálosť a nižšie straty ako PET. Náklady sú však vyššie.
• Aplikácie: Automobilová elektronika, vysokoteplotné zariadenia na povrchovú montáž (SMD), presné filtre.

Polyimid (PI):

• Výkonnostné charakteristiky: Kráľ odolnosti voči vysokým teplotám (do 250°C a viac), ale je drahý a náročný na spracovanie.
• Aplikácie: Letecký, vojenský, vysokoteplotné prostredie.

2. Vznikajúce (polárne) tenké vrstvy – predstavujúce vysokú teplotu a vysokú hustotu energie

Polyetylénnaftalát (PEN):

• Jeho výkon je medzi PET a PPS a jeho tepelná odolnosť je lepšia ako u PET.

Polybenzoxazol (PBO):

• S ultra vysokou tepelnou odolnosťou a ultra vysokou dielektrickou pevnosťou je to potenciálny materiál pre budúce filmové kondenzátory pohonu elektrických vozidiel.

Fluórpolyméry (ako PTFE, FEP):

• Má vysokofrekvenčné charakteristiky a extrémne nízke straty, ale je ťažké ho spracovať a má vysoké náklady, preto sa používa v špeciálnych vysokofrekvenčných mikrovlnných obvodoch.

Hlavné kompromisy pri výbere materiálu:

• Dielektrická konštanta (εr): Ovplyvňuje objemovú účinnosť (objem potrebný na dosiahnutie rovnakej kapacity).
• Stratová tangenta (tanδ/DF): Ovplyvňuje účinnosť, tvorbu tepla a hodnotu Q.
• Dielektrická pevnosť: Ovplyvňuje výdržné napätie.
• Teplotné charakteristiky: Ovplyvnite rozsah prevádzkových teplôt a stabilitu kapacity.
• Cena a spracovateľnosť: Vplyv na komercializáciu.

II. Štruktúra jadra: Technológia metalizácie a elektródy

Podstata tenkovrstvových kondenzátorov spočíva v tom, ako postaviť elektródy na tenkých vrstvách a z toho možno odvodiť produkty s rôznymi charakteristikami.

1. Typ elektródy

Elektróda z kovovej fólie:

• Štruktúra: Kovová fólia (zvyčajne hliníková alebo zinková) je priamo laminovaná a navinutá plastovou fóliou.
• Výhody: Silná schopnosť prenášať vysoký prúd (nízky odpor elektród), dobrá tolerancia prepätia/nadprúdu.
• Nevýhody: Veľká veľkosť, bez schopnosti samoliečenia.

Metalizované elektródy (hlavná technológia):

• Štruktúra: Vo vysokom vákuu sa kov (hliník, zinok alebo ich zliatiny) vyparí na povrch tenkého filmu v atómovej forme a vytvorí extrémne tenkú kovovú vrstvu s hrúbkou len desiatok nanometrov.
• Výhody: Malé rozmery a vysoký špecifický objem, jeho „samoliečiaca“ schopnosť. Keď sa dielektrický materiál čiastočne rozpadne, okamžitý vysoký prúd generovaný v bode prierazu spôsobí, že sa okolitá tenká kovová vrstva vyparí a vyparí, čím sa izoluje defekt a obnoví sa výkon kondenzátora.

2. Kľúčové technológie pre metalizované elektródy (zlepšenie spoľahlivosti)

Opustenie okraja a zahustenie okraja:

• Opustenie okraja: Počas naparovania je na okraji fólie ponechaná prázdna oblasť, aby sa zabránilo skratu dvoch elektród v dôsledku kontaktu na okraji po navinutí.
• Zhrubnuté okraje (súčasná technológia poistiek): Kovová vrstva na kontaktnom povrchu (pozlátený povrch) elektródy je zhrubnutá, zatiaľ čo kovová vrstva v centrálnej aktívnej oblasti zostáva extrémne tenká. To zaisťuje nízky kontaktný odpor na kontaktnom povrchu a má za následok menej energie potrebnej na samoliečenie, čím je bezpečnejšie a spoľahlivejšie.

Technológia delených elektród:

• Sieťová/pruhovaná segmentácia: Rozdelenie naparenej elektródy na niekoľko malých, vzájomne izolovaných oblastí (ako rybárska sieť alebo pruhy).
• Výhody: Lokalizuje potenciálne samoliečenie, výrazne obmedzuje samoliečiacu energiu a plochu, zabraňuje strate kapacity spôsobenej veľkoplošným samoliečením a výrazne zlepšuje životnosť a bezpečnosť kondenzátorov. Toto je štandardná technológia pre vysokonapäťové kondenzátory s vysokým výkonom.

III. Konštrukčný dizajn: navíjanie a laminovanie

1. Typ vinutia

Proces: Dve alebo viac vrstiev metalizovaných tenkých filmov sú navinuté do valcového jadra ako zvitok.

Typy:

• Indukčné vinutie: Elektródy sú vyvedené z oboch koncov jadra, čo vedie k relatívne veľkej indukčnosti.
• Neindukčné vinutie: Elektródy vychádzajú z celej koncovej plochy jadra (koncová plocha kovu je vytvorená procesom striekania zlata). Prúdová cesta je paralelná a indukčnosť je extrémne nízka, vďaka čomu je vhodná pre vysokofrekvenčné aplikácie s vysokým impulzom.

Výhody:

• Vyspelá technológia, široký rozsah kapacity a jednoduchá výroba.

Nevýhody:

• Nie je to plochý tvar, čo môže mať za následok nízku priestorovú efektivitu v niektorých rozloženiach PCB.

2. Laminovaný typ (jednodielny typ)

Proces: Tenké filmy s vopred nanesenými elektródami sú naskladané paralelne a potom sú elektródy striedavo vyvedené cez proces spojenia, aby vytvorili „sendvičovú“ viacvrstvovú štruktúru.

Výhody:

• Extrémne nízka indukčnosť (minimálna ESL), vhodná pre ultra-vysokofrekvenčné aplikácie.
• Pravidelný tvar (štvorcový/obdĺžnikový), vhodný na umiestnenie SMT s vysokou hustotou.
• Lepší odvod tepla.

Nevýhody:

• Proces je zložitý a je ťažké dosiahnuť veľkú kapacitu/vysoké napätie a náklady sú relatívne vysoké.

Aplikácie:

• Vysokofrekvenčné vysokofrekvenčné obvody, decoupling, mikrovlnné aplikácie.

IV. Záver: Synergické účinky materiálov a štruktúr

Výkon fóliových kondenzátorov je výsledkom presnej synergie medzi ich materiálovými vlastnosťami a konštrukčným návrhom.

Trendy budúceho vývoja:

Inovácia materiálov: Vyvíjajte nové polymérne filmy s vyššími teplotami (>150 °C) a vyššou hustotou akumulácie energie (vysoké εr, vysoké Eb).

Prepracovaná štruktúra: Presnejšie riadenie vzorov depozície pár (segmentácia nanometrov) umožňuje lepšiu samoliečebnú kontrolu a výkon.

Integrácia a modularizácia: Integrácia viacerých kondenzátorov s tlmivkami, rezistormi atď. do jedného modulu s cieľom poskytnúť holistické riešenie pre systémy výkonovej elektroniky.