vPolyTan™ 聚合物钽电容，高可靠性商用现货 (Hi-Rel COTS)，超低ESR

钽聚合物电容器23 2月 2023

一颗配备太阳能电池板的卫星正在围绕地球轨道运行，旁边展示了Vishay电子元件。

航空电子、军事和空间（AMS）应用正经历高速增长，这主要是由于需要用新型和先进设备来替代已过时的系统。这些新系统被设计用以满足下一代航空、战场和空间的需求。诸如敌我识别（IFF）和用于跟踪与目标探测的相控阵雷达、航空电子控制与显示器以及电力系统等系统，均被设计为适应极端的环境和电气特性，例如符合MIL-STD-704标准的要求。AMS客户维持其竞争优势的需求正是驱动市场增长的主要动力。

这一现代化努力的副产品是对具有更高体积效率、可靠性、电压等级和大容量电容的需求。为满足这一需求，工程师们一直在转向使用Vishay Intertechnology的vPolyTan™固态聚合物钽电容器。

什么是聚合物钽电容器？

与大多数电容器技术不同，固体聚合物钽电容器并不使用阳极和阴极的金属板。阳极由钽粉末组成，并烧结成钽颗粒。然后对这些颗粒进行阳极氧化处理，在整个阳极表面形成一层钽氧化物 (Ta2O5) 介电层。经过氧化的颗粒随后被浸渍进高导电性聚合物中，用作阴极。在此阶段，导电聚合物层接着被涂覆一层石墨，再覆盖一层金属银涂层，为电容元件与外部端接（导线架或其他）之间提供一个导电表面。

模压片式聚合物钽电容器使用塑料树脂（如环氧材料）封装元件。模压化合物已被选定以满足 UL 94 V-0 的要求和 ASTM E-595 的出气要求（见图 1）。

组装完成后，电容器会经过测试和检查，以确保寿命长久和可靠性。

图 1：模塑聚合物截面示例

导电聚合物 vs. 二氧化锰 (MNO2) 钽

导电聚合物电容器的结构与二氧化锰 (MnO2) 钽电容器类似。主要的差异在于用于形成固体电解质的材料。标准的 MnO2 电容器具有典型半导体的导电性。而在导电聚合物电容器中，使用的是本质导电聚合物 (ICP) 材料，其电导率比标准材料高出若干个数量级。因此，导电聚合物电容器具有更低的等效串联电阻（ESR），并且比 MnO2 电容器需要更低的电压降额。

聚合物中无烟火效果/点火失败

导电聚合物电容器的另一个特点是由于材料中氧含量较少，因此不存在点燃失效模式。

电容器介质中的杂质可能会导致高漏电点。在MnO2钽电容器中起作用的自修复机制基于MnO2分子通过热引发转变为更高电阻的Mn2O3 + O。如果漏电电流导致温度升高到一定程度，Mn2O3就会形成，并将故障隔离，从而阻止进一步的电流流动，即所谓的“自修复”。如果在这一过程中产生的游离氧分子在足够高的温度下与钽发生反应，它可能会引发燃烧并产生烟火效果。

如果同样的杂质出现在聚合物电容器的介电材料中，由于没有可供燃烧的氧气，因此不会发生点火故障。会发生自我修复，导致在缺陷周围形成高电阻材料。

Vishay 的高可靠性产品供应

```html

类型	描述	电压范围	电容范围	ESR（等效串联电阻）	DLA
T54	无引线框架的叠层聚合物，Hi-Rel COTS	16 V 至 75 V	15 µF 至 2800 µF	5 mΩ 至 150 mΩ	DLA 20021
T56	模压外壳聚合物，Hi-Rel COTS	2.5 V 至 50 V	10 µF 至 470 µF	25 mΩ 至 200 mΩ	DLA 04051
T27	气密封装聚合物	16 V 至 75 V	15 µF 至 470 µF	25 mΩ 至 100 mΩ	–

```

表 1：高压额定聚合物

电压降额

正如讨论的那样，聚合物技术的增加电压耐受性允许降低电压降额要求。除了显著更低的等效串联电阻（ESR）外，导电聚合物阴极具有一种温和的失效模式（如上所述），因此不需要因与 MnO2 相关的安全问题而进行额外的降额。

在下图 Fig. 2 中，我们看到当额定电压 (VR) 为 10 V 或以下时，仅需进行 10% 的降额，而当 VR >10 V 时，建议进行 20% 的降额。这些指南在温度高达 105°C 时是一致的。在 105°C 之后，我们可以看到建议的降额值呈线性下降，到 125°C 时，对于 VR 10 V 的建议降额降至 40%。同样，对于额定电压 VR >10 V 的电容器，建议降额将下降至 46%。

图 2：电压降额

高电压

更好的降额指南意味着更高的工作电压，从而实现更高的体积效率。典型的聚合物电容器的额定电压为50 V，而Vishay Sprague的vPolyTan™技术目前可以达到高达75 V的额定电压。这使得聚合物电容器可以用于MIL-STD-704标准、28 VDC总线（稳态电压范围为22 VDC到29 VDC）的应用中，在这些应用中，电压降额需要满足高达125°C的要求。

这些高电压额定值，加上聚合物所需的低降额，使其在体积效率方面相比其他电容器技术具有显著优势。

低ESR

由于阴极的结构本身是一种具有高导电性的导电聚合物，聚合物电容器具有非常低的ESR（等效串联电阻），通常比二氧化锰钽电容器低10%。这使得这些器件特别适合高频和高纹波电流的应用。

高可靠性

由于聚合物电容器使用固体电解质，它们不像液体或凝胶电解电容器那样容易干涸。这种干涸过程是铝电解电容器的一种常见失效模式，可能会导致过热。当液体蒸发时，内部压力可能会升高，导致电解液泄漏、电容器膨胀，甚至破裂或爆炸。而固体聚合物电容器不会出现这种失效机制，因此它们更加可靠，寿命也更长。与铝电解电容器不同，聚合物电容器可以在较高温度下长期运行而不会出现问题。

MAP 技术

Vishay 的多阵列封装（MAP）技术在给定的体积内实现了最大电容。这是通过最小化引线框架并允许更多的体积由实际电容器占据来实现的（见图 3）。

图 3：MAP 与成型

Hi-Rel T54系列采用MAP技术以提高体积效率。将MAP技术与双阳极设计相结合，可实现更低的ESR值（见下图4）。

图4：采用超低ESR、双阳极设计的T54 MAP技术

叠层电容器

利用MAP技术，Vishay在T54系列中增加了堆叠选项，以满足需要高电容且占用空间较小的应用需求。通过堆叠，多颗电容器以并联阵列的形式固定在一起。由于电容器以并联方式配置，电容值会增加，同时ESR（等效串联电阻）会降低。堆叠选项包括1 x 2（宽1颗，高2颗）、1 x 3、2 x 2、2 x 3，以及3 x 2。可选的额定值范围从130 μF（75 VDC）到2800 μF（16 VDC）。同时，还可以满足定制化配置需求。这些堆叠的储能电容配置方案可以显著节省设计人员在PCB板上的空间。