vPolyTan™ Polymer-Tantal-Kondensatoren, Hi-Rel COTS, ultraniedriger ESR
Avionik-, Militär- und Raumfahrtanwendungen (AMS) verzeichnen ein starkes Wachstum aufgrund des Bedarfs an neuen und fortschrittlichen Geräten, die alte Systeme ersetzen sollen, deren Nützlichkeit überschritten wurde. Diese neuen Systeme werden entwickelt, um die Anforderungen der nächsten Generation für Luft-, Schlachtfeld- und Raumfahrtanwendungen zu erfüllen. Systeme wie "Identify Friend or Foe" (IFF) und Phased-Array-Radar zur Verfolgung und Zielerfassung, Avioniksteuerungen und -anzeigen sowie Energiesysteme werden für extreme Umwelt- und elektrische Charakteristika entwickelt, wie sie in MIL-STD-704 beschrieben sind. Der Bedarf der AMS-Kunden, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten, treibt das Marktwachstum voran.
Ein Nebenprodukt dieser Modernisierungsbemühungen ist der Bedarf an Kondensatoren mit höherer volumetrischer Effizienz, Zuverlässigkeit, Spannungsfestigkeit und Kapazität. Um diesen Bedarf zu decken, greifen Ingenieure auf die vPolyTan™-Feststoff-Polymer-Tantal-Kondensatoren von Vishay Intertechnology zurück.
Was sind Polymer-Tantal-Kondensatoren?
Im Gegensatz zu den meisten Kondensatortechnologien verwenden Festkörper-Polymer-Tantalbauelemente keine Platten für die Anode und Kathode. Die Anode besteht aus Tantalpulver, das zu einem Tantalpellet gesintert wird. Dieses Pellet wird anschließend anodisiert, um eine Tantalpentoxid-Dielektrikumsschicht (Ta2O5) auf der gesamten Oberfläche der Anode zu bilden. Das oxidierte Pellet wird dann mit einem hochleitfähigen Polymer imprägniert, das als Kathode fungiert. Anschließend wird die leitfähige Polymerschicht mit Graphit beschichtet, gefolgt von einer Schicht aus metallischem Silber, die eine leitfähige Verbindung zwischen dem Kondensatorelement und der äußeren Anschlussstelle (Anschlussrahmen oder anderes) bereitstellt.
Geformte Chip-Polymer-Tantal-Kondensatoren umschließen das Bauelement in Kunststoffharzen, wie zum Beispiel Epoxidmaterialien. Die Vergussmasse wurde so ausgewählt, dass sie die Anforderungen von UL 94 V-0 sowie die Entgasungsanforderungen gemäß ASTM E-595 erfüllt (siehe Abb. 1).
Nach der Montage werden die Kondensatoren getestet und geprüft, um eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Abbildung 1: Beispiel eines geformten Polymer-Querschnitts
Leitfähiges Polymer vs. Mangandioxid (MnO2) Tantal
Die Konstruktion von leitfähigen Polymer-Kondensatoren ähnelt der von Manganoxid (MnO2)-Tantal-Kondensatoren. Der Hauptunterschied liegt im Material, das zur Herstellung des festen Elektrolyten verwendet wird. Standard-MnO2-Kondensatoren besitzen die Leitfähigkeit typischer Halbleiter. Bei leitfähigen Polymer-Kondensatoren werden intrinsisch leitfähige Polymermaterialien (ICP) verwendet, die eine elektrische Leitfähigkeit haben, die um mehrere Größenordnungen höher liegt. Dadurch haben leitfähige Polymer-Kondensatoren einen deutlich niedrigeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und erfordern eine geringere Spannungsderating als MnO2-Kondensatoren.
Keine Pyrotechnik/Zündversagen in Polymeren
Ein weiteres Merkmal von leitfähigen Polymer-Kondensatoren ist das Fehlen eines Zündausfallmodus aufgrund des geringeren Sauerstoffgehalts im Material.
Verunreinigungen im Dielektrikum eines Kondensators können zu einem hohen Leckstrompunkt führen. Der Selbstheilungsmechanismus, der in MnO2-Tantalum-Kondensatoren wirkt, basiert auf einer thermisch induzierten Umwandlung von MnO2-Molekülen in ein widerstandsfähigeres Mn2O3 + O. Wenn der Leckstrom einen ausreichend hohen Temperaturanstieg verursacht, bildet sich Mn2O3, das den Defekt isoliert und weiteren Stromfluss oder eine „Selbstheilung“ verhindert. Wenn die bei diesem Prozess entstehenden freien Sauerstoffmoleküle bei einer ausreichend hohen Temperatur mit dem Tantal reagieren, kann dies zur Entzündung und zu pyrotechnischen Effekten führen.
Wenn dieselbe Verunreinigung im Dielektrikum eines Polymer-Kondensators auftritt, steht kein Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung, und es kommt daher nicht zu einem Zündausfall. Es wird zu einer Selbstheilung kommen, bei der ein hochwiderstandsfähiges Material um die Unregelmäßigkeit entsteht.
Vishays Hi-Rel-Produktangebot
| Typ | Beschreibung | Spannungsbereich | Kapazitätsbereich | ESR (Äquivalenter Serienwiderstand) | DLA |
|---|---|---|---|---|---|
| T54 | Rahmenlos gestapelte geformte Polymer-Kondensatoren, Hi-Rel COTS | 16 V bis 75 V | 15 µF bis 2800 µF | 5 mΩ bis 150 mΩ | DLA 20021 |
| T56 | Geformte Polymer-Gehäuse, Hi-Rel COTS | 2,5 V bis 50 V | 10 µF bis 470 µF | 25 mΩ bis 200 mΩ | DLA 04051 |
| T27 | Hermetisch versiegelte Polymer-Kondensatoren | 16 V bis 75 V | 15 µF bis 470 µF | 25 mΩ bis 100 mΩ | – |
Tabelle 1: Hochspannungsbeständige Polymere
Spannungsreduzierung
Wie besprochen, ermöglicht die erhöhte Spannungstoleranz der Polymertechnologie geringere Anforderungen an die Spannungsderating. Neben einem deutlich niedrigeren ESR verfügt die leitfähige Polymerkathode über einen gutartigen Ausfallmodus (oben besprochen), sodass kein zusätzliches Derating für Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit MnO2 erforderlich ist.
In Abb. 2 unten sehen wir, dass bei einer Nennspannung (VR) von 10 V oder weniger nur eine Entlastung von 10% erforderlich ist, während für VR >10 V eine Entlastung von 20% empfohlen wird. Diese Richtlinien sind bis zu 105°C konsistent. Nach 105°C sehen wir einen linearen Rückgang der empfohlenen Entlastung auf 40% für VR von 10 V bei 125°C. Ebenso wird bei Kondensatoren mit einem VR >10 V eine Abnahme auf eine empfohlene Entlastung von 46% beobachtet.
Abbildung 2: Spannungsdegradierung
Hochspannung
Bessere Derating-Richtlinien bedeuten höhere Betriebsspannungen und wiederum eine höhere volumetrische Effizienz. Typische Polymer-Kondensatoren haben eine Spannungsfestigkeit von 50 V, aber die Vishay Sprague vPolyTan™-Technologie erreicht derzeit Spannungsfestigkeiten von bis zu 75 V. Dies ermöglicht den Einsatz von Polymeren in MIL-STD-704-, 28-VDC-Bussystemen (22 VDC bis 29 VDC im Dauerbetrieb), bei denen eine Spannungsreduzierung bis zu 125 °C erforderlich ist.
Diese hohen Spannungsnennwerte, kombiniert mit der geringen Abminderung, die bei Polymeren erforderlich ist, verschaffen ihnen einen großen Vorteil in Bezug auf die volumetrische Effizienz gegenüber anderen Kondensatortechnologien.
Niedriger ESR
Da die Kathode aus einem inhärent leitfähigen Polymer besteht, das eine hohe Leitfähigkeit aufweist, haben Polymerkondensatoren eine sehr niedrige ESR, typischerweise 10 % niedriger als MnO2-Tantal-Kondensatoren. Dies macht die Bauteile besonders geeignet für Anwendungen mit hohen Frequenzen und hohen Rippelströmen.
Hohe Zuverlässigkeit
Da Polymere einen festen Elektrolyten verwenden, sind sie nicht anfällig für das Austrocknen wie flüssige oder gelartige Elektrolytkondensatoren. Dieser Austrocknungsprozess ist ein häufiger Ausfallmodus bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren und kann zu Überhitzung führen. Während die Flüssigkeit verdampft, kann Druck entstehen, der dazu führt, dass der Kondensator ausläuft, sich ausbeult oder sogar platzt/explodiert. Feste Polymerelektrolytkondensatoren zeigen diesen Ausfallmechanismus nicht und sind daher wesentlich zuverlässiger und haben eine längere Lebensdauer. Im Gegensatz zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren können Polymer-Kondensatoren über längere Zeiträume bei höheren Temperaturen problemlos betrieben werden.
MAP-Technologie
Die Multi-Array-Packaging-(MAP)-Technologie von Vishay maximiert die Kapazität in einem gegebenen Volumen. Dies wird erreicht, indem der Leadframe minimiert wird und mehr Volumen vom tatsächlichen Kondensator eingenommen werden kann (siehe Abb. 3).
Abbildung 3: MAP vs. Formgepresst
Die Hi-Rel T54-Familie nutzt die MAP-Technologie, um die volumetrische Effizienz zu verbessern. Die Kombination von MAP mit einem Dual-Anoden-Design ermöglicht noch niedrigere ESR-Werte (siehe Abb. 4 unten).
Abbildung 4: T54-MAP-Technologie mit ultraniedrigem ESR und Dual-Anoden-Design
Gestapelte Kondensatoren
Unter Nutzung der MAP-Technologie hat Vishay der T54-Familie eine gestapelte Option hinzugefügt, die für Anwendungen geeignet ist, die eine hohe Kapazität auf einer kleinen Grundfläche erfordern. Bei den Stapelkonfigurationen werden mehrere Kondensatoren zu parallelen Arrays zusammengefasst. Da die Kondensatoren parallel geschaltet sind, steigt die Kapazität bei gleichzeitiger Verringerung des ESR. Die gestapelten Optionen sind 1 x 2 (ein Kondensator breit, zwei hoch), 1 x 3, 2 x 2, 2 x 3 und 3 x 2. Die verfügbaren Werte reichen von 130 μF bei 75 VDC bis 2800 μF bei 16 VDC. Auch kundenspezifische Anordnungen können berücksichtigt werden. Diese gestapelten Bulk-Kapazitätskonfigurationen können erheblichen Platz auf der Leiterplatte des Designers einsparen.
Abbildung 5: T54-Stapler-Polymeranordnung
Energiespeicherung/ Bulk-Kapazität
Die MAP- und gestapelte Array-Technologie von Vishay ermöglicht eine höhere volumetrische Effizienz. Diese Verbesserung der Massenspeicherkapazität macht Polymere zu einer guten Wahl für Anwendungen, die möglicherweise Energiespeicherung und/oder schnelle Lade- und Entladezyklen erfordern, wie gepulstes Radar, Lidar, Haltezeit und andere.
Angesichts der Gleichung für die in einem Kondensator gespeicherte Energie von
E = ½ x CV²
wo,
- E ist die Energie in Joule,
- C ist die Kapazität in Farad, und
- V ist die Nennspannung in Volt,
Die T54-Serie kann bis zu 5 J/in2 im E6-Gehäuse (2 x 3-Array) aufnehmen, basierend auf idealen Bedingungen mit der gestapelten Polymerlösung mit 900 μF / 35 VDC Nennwert.
Langzeitzuverlässigkeit
Im Gegensatz zu konkurrierenden Technologien wie Mehrschichtkeramik- oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren weisen Polymertantalkondensatoren aufgrund der oben diskutierten Eigenschaften keine Verschleißerscheinungen auf. Dies ermöglicht die langfristige Zuverlässigkeit, die für Hi-Rel-Militär- und Raumfahrtanwendungen erforderlich ist. Abb. 6 zeigt die Art der langfristigen Stabilität, die bei der Polymertechnologie zu beobachten ist, mit sehr geringen Änderungen von Kapazität, Leckstrom und ESR im Laufe der Zeit.
Abbildung 6: Kapazitätsänderung
Abbildung 7: Leckstrom
Abbildung 8: ESR
Anwendungen
High-End-Server-Motherboards, MIL-STD-704-Stromversorgungen, Phased-Array-Radar, IFF, Netzwerkinfrastruktur, Energiespeicher, Leistungsregelung, Entkopplung, Glättung, Filterung, Überbrückung und andere.
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