解決方案
如何規(guī)避電容器應(yīng)對壓電效應(yīng)而失效?
發(fā)布時間:2015-05-29 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】在電源行業(yè),一些應(yīng)用需要高耐壓、高容量的電容器,例如在開關(guān)電源中作輸入輸出濾波,儲能,尖峰吸收,DC-DC轉(zhuǎn)換,直流阻隔,電壓倍乘等等,此外,在一些應(yīng)用中,尺寸和重量非常重要,需要小體積的電子元器件。應(yīng)對壓電效應(yīng)失效的電容器怎么設(shè)計呢?
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(xiàn),其體積一般較大。盡管經(jīng)過多年的發(fā)展,高耐壓、高容量的電容器的小型化進(jìn)展還是十分有限。當(dāng)前取得的進(jìn)展主要在高耐壓方面,但是很難同時兼顧高容量;或者是達(dá)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(yè)界常見的做法是依據(jù)DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的規(guī)范將多個陶瓷電容器疊加在一起,這種做法占據(jù)空間較大且較重,并且價格昂貴。因此,業(yè)內(nèi)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(shù)局限
失效模式?jīng)Q定了設(shè)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(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂,但同時我們也需要深入探討內(nèi)在失效模式,這在制造商的管控范圍之內(nèi)。
多層陶瓷電容器在設(shè)計上的限制因素,隨時代的不同而發(fā)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(zhì)材料本身的點缺陷和雜質(zhì),這些因素影響了材料的質(zhì)量和純度,如圖1,從而限制了電容器內(nèi)部層數(shù)的上限和每層厚度的最小值。
隨著電介質(zhì)材料本身質(zhì)量的提高和操作流程的改進(jìn),限制因素轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊橘|(zhì)材料本身的強(qiáng)度,而該因素一旦得到了解決,我們本可以預(yù)期制造出更大更厚的電容器,而不必?fù)?dān)心產(chǎn)生介質(zhì)擊穿或點失效,如圖2。
可是一種新的失效模式出現(xiàn)了,我們稱之為壓電應(yīng)力斷裂,通常指壓電效應(yīng)或者電致伸縮現(xiàn)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(shù)的鈦酸鋇二類(Class II介質(zhì),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(zhì)層貫穿整個電容的中部。大多數(shù)的解決方案是將多個電容器通過添加引腳進(jìn)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(chǎn)生可靠性問題。另外的解決方案使用特殊電介質(zhì)配方,但同時以犧牲介電常數(shù)作為代價,并影響最終可獲得的容值大小。
[page]解決方案
StackiCap是一種應(yīng)對壓電失效限制的獨石電容解決方案。其應(yīng)用的專利技術(shù)GB Pat./EP2013/061918創(chuàng)新性地在電容器內(nèi)部加入了一層壓力緩沖層,使得該電容器既可展現(xiàn)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(yōu)點。
壓力緩沖層使用現(xiàn)成的材料系統(tǒng)組合,并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的制造流程。壓力緩沖層加在機(jī)械應(yīng)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(jī)械應(yīng)力。依據(jù)目前為止的實驗,壓力緩沖層可以將多層電容器在內(nèi)部分成2段、3段或4段,從而大幅緩解內(nèi)部形變帶來的機(jī)械應(yīng)力,同時通過FlexiCap柔性端頭技術(shù)釋放端頭上的機(jī)械應(yīng)力,這樣我們就不需要將多個電容器進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化的卷帶包裝以及自動化貼裝。
小型化
在大幅提高容值的同時,StackiCap可實現(xiàn)元件尺寸的顯著縮小。以下圖片直觀地展現(xiàn)了StackiCap的優(yōu)越性。
圖7顯示了已經(jīng)研發(fā)的StackiCap的各規(guī)格產(chǎn)品尺寸:1812,2220,2225和3640。后續(xù)研發(fā)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StackiCap替代;3640,1kV,180nF的電容如今可被單顆1812,1kV,180nF的StackiCap替代,體積分別縮小到原來的1/10和1/7。
可靠性測試認(rèn)證
StackiCap已通過如下可靠性測試:
(1) 壽命測試。StackiCap系列電容在125℃,1倍或1.5倍的額定電壓下持續(xù)工作1000小時。
(2) 85/85測試。StackiCap系列電容在85℃/85%RH條件下持續(xù)工作168小時。
(3) 彎板測試。StackiCap系列電容被安裝在Syfer/Knowles的測試用PCB上進(jìn)行彎板測試,以評估元件的機(jī)械性能。
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