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[導讀]10月20日-23日CEATEC 2020 Online期間,尼吉康(nichicon)開發並擴展了其鋁電解電容器旗下產品,並擴充了其在去年發佈的小型鋰離子可充電電池“SLB”系列,以下記者將從技術方面分析最新產品所應對的場景。

蒸汽機的問世,標誌着世界開啓了工業革命;大規模流水線的正式運行,標誌着電力開始應用,成為了第二次工業革命;第一台可編程控制器(PLC)的成功研發,標誌着生產進入自動化時代,成為了第三次工業革命;而現今機器換人的概念被提出,得益於IoT、機器間通信和信息物理融合系統的發展,催生着工業的第四次革命,即工業4.0。

所謂工業4.0,依託的是工業物聯網、雲計算、大數據、機器人、3D打印、知識工作自動化、網絡安全、虛擬現實、人工智能九大支柱。然而,新技術的使用和算力的急速攀升的結果,便是整體方案逐漸靠攏集成化、小型化、可靠性。另一方面,小型化的需求下,很多設備更加偏向採用自然風冷,這便對於高耐熱提出一定的需求。

對於半導體行業來説,這不僅催生着集成電路的進一步進化,也促進了上游元器件的發展。電容、電阻、電感被冠以“三大被動元件”,叱吒電子圈,是最常用的電子元件之一。其中,電容約佔電子元件用量的40%,是用途最廣泛、用量最大的一種被動元件。不可忽視的是,工業場景中的能源供給和信息通訊都非常依賴電容器,在工業場景中大量用於電源模塊、不間斷電源、通信模塊上。

10月20日-23日CEATEC 2020 Online期間,尼吉康(nichicon)開發並擴展了其鋁電解電容器旗下產品,並擴充了其在去年發佈的小型鋰離子可充電電池“SLB”系列,以下記者將從技術方面分析最新產品所應對的場景。

工業的變革與鋁電解電容

電容為何成為“電容、電阻、電感三小強”中用量最大的被動元件?數據顯示,僅僅手機中的電容的用量就達到了1000-1100顆,而平均每台電動車需要用到1.7萬顆到1.8萬顆。如此巨大的用量,要歸功於電容的自身的“通交阻直”和“充放電”的特性,由此衍生出隔直流、旁路(去耦)、耦合、濾波、温度補償、計時、調諧、整流、儲能、平滑電壓等功用。


根據電容器的製造材料不同,具體可以分為:陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電容器、薄膜電容器主要四類電容。其中陶瓷電容多用於增速飛快的消費電子和汽車電子中,並且MLCC缺貨漲價的新聞頻發而被人熟知。

事實上,鋁電解電容和薄膜電容在市場的用量一直非常穩定,其中鋁電解電容佔整個電容器市場的33%。另據中國電子元器件行業協會的數據,全球鋁電解電容市場整體規模近年來保持每年4%左右的增長。究其原因,主要在於鋁電解電容容量大、價格優,可在開關電源、整流模塊、通信設備和汽車中大量使用。

上文也有提及,工業4.0時代即將到來,實現“機器換人”不僅帶來大量的數據處理,也帶來了大量的無線連接。數據處理需要擴建更多需要不間斷電源(UPS)的數據中心,無線連接需要給設備都裝上無線模塊,這便直接推動了鋁電解電容用量的增長。值得一提的是,由於我國正在大力推行5G網絡建設和“新基建”,在製造通信系統時候會大量用到鋁電解電容,因此目前對於鋁電解電容的需求量極大。


鋁電解電容的構造與發展

鋁電解電容器是以陽極高純度鋁箔表面上形成的氧化膜為電介質,再由陰極鋁箔、電解液、電容器紙(電解紙)構成。氧化膜是通過電解氧化(化成)形成,非常薄,具有整流特性。此外,通過對高純度鋁箔進行腐蝕來擴大有效表面積,獲得小型化大容量的電容器。

鋁電解電容根據電解質形態不同可以分為液態鋁電解電容和固態鋁電解電容,前者擁有更好的成本優勢,後者則擁有更強的穩定性和長壽命。根據引出方式不同分為引線式、焊針式、焊片式、螺栓式和貼片式。

從性能上來講,固態鋁電解電容遠超於液態鋁電解電容,一顆固體鋁電解電容可以替代2-3顆液態鋁電解電容;從工藝上來講,液態鋁電解電容在高温可能會導致電解液沸騰蒸發,低温會導致電解液凝固,並且有漏液的風險。因此,行業普遍認為固態鋁電解電容是未來的趨勢。

工業4.0時代,除了在用量上的考驗,在對整機的不斷集成化、小型化、超薄化的背景下,也催生着上游元件的轉型。以鋁電解電容用量較大的電源管理來説,在5-10年的發展趨勢是高功率密度、低EMI、低靜態電流、低噪聲高精度、更好的隔離性能,這幾項參數指向的便是更好的穩定性和更高的集成度,直接推動了鋁電解電容朝向小型化/超薄化、固體化、大容量化發展。

值得注意的是,電源模塊、不間斷電源、通信設備對於穩定性的要求遠遠高於其他領域。特別是24小時不間斷工作的工廠,在既有的穩定性下擁有更長的壽命,可以大大減少工業維修的時間和成本。

不過,尼吉康在鋁電解電容方面則是分為三種:鋁電解電容器(電解液)、導電高分子鋁電解電容器(固態)、混合鋁電解電容器。所謂混合鋁電解電容即為兩者的固液混合,即高容量、低漏損電流特性的“電解液與高紋波電流、低ESR、低温特性的“導電性高分子”的組合。

在尼吉康看來,混合鋁電解電容器和液態鋁電解電容器相比,在高頻率領域的ESR性能優異,對於温度變化具有穩定的ESR性能。再者,因內部含有電解液,具有氧化膜修復功能,能維持穩定的電氣性能。

21ic家認為,固態鋁電解電容固然擁有很好的壽命和低ESR,但由於成本的限制,混合鋁電解電容是過渡和補全產品線的一個好選項,特別是在對可靠性要求越來越高的現如今。需要引起大家需要重視的是,固態電解電容器也並非“萬能的”,在技術上仍然有許多進步空間,因此混合鋁電解電容可謂是1+1>2,充分發揮了二者的優異性能。

工業鋁電解電容的選型

鋁電解電容器和其他電容一樣,在工業選型中也擁有很多參數需要考慮,特別是在工業4.0的大背景下,更好的參數才足以勝任高強度的不間斷運行。

在電子元器件市場上,微型化、高效率、高頻化、高可靠性以及薄型化需求正推動着元器件表貼化。此外,隨着 PL(產品責任法)的強制推行,安全性變得比以往更加受到重視。針對這些情況,應用於電源上的鋁電容被要求具有以下特點 :小型、輕量、薄型、長壽命、高可靠性、芯片化、安全性。根據這些內容,以下所討論的要點,將有助於熟練使用鋁電容器。具體在選擇工業鋁電解電容器時應注意以下要點:

1、靜電容量和體積

鋁電解電容的靜電容量計算方式與平行板電容器一樣,利用以下公式計算:


通過介電常數ε和電解質厚度d,可以看出在同樣的表面積S下,鋁電解電容器的靜電容量相比薄膜電容器和陶瓷電容器大幾倍甚至幾十倍。

因此對於工業場景來説,選取容量大情況下體積最小的是最好的選項,這是因為工業的高速發展和開關電源效率的不斷提升。但僅僅追求容量和體積是不可取的,仍然需要關注鋁電解電容器本身的壽命以及額定紋波電流數值。

以尼吉康的在CEATEC 2020最新開發的“GYE系列”高容量導電性高分子混合鋁電解電容器來説,相比尼吉康之前推出的“GYA”系列(125℃ 4000小時保證)和“GYC系列”(135℃ 4000小時保證)等導電性高分子混合鋁電解電容器,在同樣尺寸下容量上提高了一個等級,因此有望通過減少電容器數量,縮小單元的尺寸和重量,進一步優化電路設計。

根據尼吉康的介紹,“GYE系列”通過採用高容量陽極箔和導電性高分子材料以及優化了電解液,從而實現了高容量產品。此外,維持了現有品“GYA系列”的高可靠性,其規格達到了125℃ 4000小時耐高温、長壽命保證和耐濕性能85℃ 85%RH . 2000小時小時保證。不僅如此,相比常規品,額定紋波電流的容許值達到了約1.2倍。


另外,尼吉康還在CEATEC2020中展出最新開發的“UBH系列”鋁電解電容器,不僅改良了材料和製法,而且採用了低散發性能和低電阻率的電解液,從而實現了支持150℃和低ESR性能。在φ8以及φ10領域創造了行業最高級別的2000小時保證時間,還實現了低温ESR保證,因此可以讓機器具備高性能和長壽命。

此外,“UBH系列”產品和現有的支持150℃的“UBC系列” 相比,可以容納大約1.5倍的靜電容量,因此採用本產品後有望減少元器件數量和實現機器的小型化。


值得注意的是,尼吉康的產品的鋁電解電容器無需安裝固定帶,在另一個方面也節省了空間。


2、額定電壓

任何電子元器件都有自己的耐壓,額定電壓也是選取元器件的最基本。那麼超過額定電壓會怎麼樣?

對於鋁電解電容器來説,若施加超過額定電壓的電壓,漏電流會急劇增加。壓力閥作動後,被氣化的電解液快速從打開的壓力閥部位排放出去。鑑於電容器的能量與電壓的 2 次方成比例J=1/2CV²,施加電壓越高,壓力閥的作動狀態越激烈,電極之間可能會短路。請在低於額定電壓的電壓上使用電容器。

電容也會有很多高壓使用的場景,因此高耐壓產品是必不可少的。尼吉康方面便在CEATEC

2020上擴充了“GYA系列”的80V額定產品,在高電壓領域也能提供高可靠性的匹配產品,有望為進一步優化電路設計做出貢獻。


3、ESR(等效串聯電阻)和紋波電流

在理想狀態下,電容自身不會產生能量損失,甚至在大學教材中容抗可以直接用XC= 1/(2πfC)計算出來。然而實際上電容的絕緣介質損耗是不可避免的,這是因為製造電容的材料其實本身就是一種電阻,而這一等效電阻與電極、端子引線、板材、電解質、電解質(溶液/固體)等多個參數相關,非常複雜。

正因為損耗在外部,等同於串聯了一個電阻,因此才會產生這樣一個指標ESR(Equivalent Series Resistance)。那麼會有ESL,即等效串聯電感嗎?實際上是存在的,在早期的工藝中,容量大的電容很容易產生ESL,工藝提升的現在ESL基本可以忽略了,ESR的問題在現今仍然是需要引起重視的。


這是因為,ESR不僅浪費電能、產生諧振、影響品質因數Q,還會產生熱能耗P(P=1²RS),熱能耗的產生與電容的穩定性和壽命產生了直接的影響。

另一方面,ESR還與紋波電流有關,紋波電流的有效值一般和ESR產生的損耗成正比,即Urms = Irms × R。(Urms 表示紋波電壓,Irms 表示紋波電流,R 表示電容的 ESR)。換言之,在紋波電流同等的條件下,ESR越大漣波電壓也會成倍提高,最終影響的便是電容器的壽命。

當然,對於紋波電流本身這個參數,也需要引起重視。根據電流波形不同,紋波電流有着不同的計算方式,在選取鋁電解電容時候注意額定紋波電流值即可。


對於ESR,ESR參數越低的鋁電解電容器就越好?並非如此,ESR過低的電容容易引起開關電路振盪,從而再去解決電路振盪問題,因此鋁電解電容器遞四方香港會在避免振盪同時儘量降低ESR。

尼吉康的鋁電解電容的低ESR化使用的是電解紙改良的一種技術,通過電解紙的低ESR化減少電容器生熱。此外,通過降低熱阻抗,大幅度提高了散熱效率。


相對尼吉康來説,固體鋁電解電容器的ESR性能最優最低,混合鋁電解電容器ESR居中,非固態鋁電解電容器ESR次之。

以尼吉康卓越的ESR性能著稱的“PCL系列”芯片型導電性高分子鋁固體電解電容器來講,今年CEATEC上尼吉康擴充了這個系列的參數型號,追加了額定電壓2.5V的產品。根據介紹,尼吉康的導電性高分子鋁固體電解電容器採用了導電性高分子電解質,不僅具有高頻領域 的卓效的ESR特性,還有出色的容許紋波電流耐性。