高分子片式钽电容器的应用问题分析

高分子片式钽电容器的应用问题分析传统的片式钽电容器阴极为电子电导型的二氧化锰，由于二氧化锰是一种半导体，因此，此类片式钽电容器的阻抗较高。

由于电容器阻抗ESR[也叫等效串联电阻]和电容器的容量CR及测试或使用频率有如下数学关系；ESR=Tgδ/2πfC R式中；ESR 为等效串联电阻，单位为欧姆。

Tgδ为产品损耗。

单位为%π为3.14159265f为测试频率.单位是H ZC R为该只电容器的额定容量因此,当该只电容器的本身ESR较大时,电容器可以工作的滤波频率范围就受到严格限制.因为该只电容器的谐振频率f0将较低.因此该电容器可以应用的频率范围就较低.见下式;电容器的谐振频率与电容器各参数间的数学关系如下;f0=1/2πRC式中; f0为该只阻抗和容量一定的电容器的谐振点.单位为H Zπ为3.14159265C为该只电容器的实际测试容量R为等效串联电阻，单位为欧姆任何一只电容器的各参数间都有上述的数学关系,因此,不同种类的电容器适合于不同滤波频率的电路.当电容器的参数与电路参数不匹配时,该电容器会失效或滤波效果不佳.电子技术的进步来源于工作频率的不断增加,这样,任何一种电子产品的功能才能更强大,在一定的时间内能够处理的信号的速度才能更快.因此,整机技术的进步决定了电容器的可适用工作频率范围也必须扩大,特别是滤波电路里使用的片式钽电容器和其它种类的电容器,其工作频率范围决定了其适应的电路类型甚至市场空间.为了使片式钽电容器能够使用在更高频率的滤波电路里信号失真度更小,现在的片式钽电容器的阴极改为一种能够导电的高分子材料-聚噻吩. 聚噻吩是一种新型导电聚合物,其高温稳定性优良,电阻率接近普通金属,由于片式钽电容器的阻抗有很大一部分来自于阴极材料的自有阻抗,因此,使用高导电率聚噻吩作阴极的片式钽电容器的自有高频阻抗ESR可以大幅度地降低数倍甚至一个数量级.这样,使用高分子作阴极的片式钽电容器就可以使用在工作频率更高的滤波电路.由于聚噻吩属于典型的导电有机物,因此,其具有的有机物物理特征又使片式钽电容器的基本性能发生了很多变化;1.可以使用到工作频率更高的滤波电路.2.由于高分子材料呈软态,因此,当电路中瞬间产生的电脉冲或电压及电流浪涌时,压电效应导致的介质层晶体位移不会与阴极产生突然的挤压效应而破裂,因此,使用在此类滤波电路中,高分子片式钽电容器不需要大幅度降额;低压产品只需要降额10%,高压产品只需要降额20%就可以在此类电路中获得更高的可靠性.3.在出现意外的击穿现象时,高分子产品不会象二氧化锰阴极的片式钽电容器那样会迅速爆炸甚至燃烧,其安全性较佳.但是,高分子产品短路时不爆炸燃烧的特性同时也会带来其它问题,当短路发生时,它不会像普通片式电容器一样迅速先短路马上又开路,而是一直处于短路状态,必须长时间存在更大的多的电流才能烧毁.因此,如果发生失效问题,必须迅速拆除该只产品才能使电路恢复正常,否则,只要电路处于有电状态,电路一直会处于短路状态而不能重新启动.高分子片式钽电容器的开发主要是为了使其能够使用在工作频率更高的滤波电路,当使用到大功率的储能充放电电路里时,必须充分考虑到其一旦短路不能够迅速断开的固有缺陷.同时,必须考虑到不同电路类型对电容器基本性能的不同要求.使用在大功率充放电电路里的电容器必须满足如下要求;1. . 该电容器必须具有尽可能低的直流漏电流;钽电容器的漏电流和实际耐压及其绝缘电阻之间存在如下数学关系;I=UR/R上式是欧姆定律的数学表达式,但是,对于钽电容器, I表示的是该产品的实际漏电流而不是导体中通过的电流,UR是该产品的实际耐压而不是电路中实际施加的电压,R是该产品的实际绝缘电阻而不是该产品的电阻. 这些实际内容上的区别非常重要.从上式中,我们可以推导出这样的规律;当漏电流偏大时,产品的实际绝缘电阻就会下降,同时,该产品的实际耐压也会下降.同样的道理,如果实际漏电流较小的产品,其绝缘电阻也将较高,其实际耐压也会更高. 此规律在高温时对钽电容器的可靠性意义重大; 当高温时该产品的实际漏电流较大时,其实际耐压就会大幅度下降,因此,高温时钽电容器的失效率就高得多. 因此,对钽电容器的可靠性影响最大的参数就是该产品的漏电流大小,特别是高温时该产品的漏电流变化率高低可以直接成为该产品可靠性高低的最主要的判定参数.在使用电压较高时,片式钽电容器的漏电流偏大的产品在进行频繁的大功率放电时会出现爆炸失效现象.作为T/R组件中的瞬时电源,为了保证电磁波发射的功率强度足够[可以探测的距离和强度成正比],施加到电容器上和电容器放电时的功率均较大,此时,如果漏电流偏大,非常容易导致击穿瞬间发生,从而造成该T/R组件功能失效.制约片式钽电容器的漏电流大小的条件主要是电容器生产厂家的工艺技术水平,在此方面,各家片式钽电容器生产商的实际生产水平相差巨大.但由于高分子片式钽电容器的标准对漏电流的要求较宽,因此,从简单的测试看,好象那家公司都能够生产出合乎标准的高分子片式钽电容器,而实际却不竟然,各家生产出的相同规格的高分子片式钽电容器的实际漏电流水平和可靠性水平相差非常大.如果使用厂家只是通过形式化的简单测试,根本发现不了其中的差别.因此,不断的失效问题就一直在困扰着电容器使用者.钽电容器在实际制造过程中，由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同，批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定，但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。

即使是同一生产批，不同只产品实际上也存在质量差异。

造成此现象的深层次原因是钽电容器复杂的生产工艺过程使产品参数不可能保持绝对的完全一致，因此,追求质量一致性和追求高性能就成为所有生产厂家的重要目标。

而对于用户而言，造成使用时失效的原因主要有两点；一；产品性能参数与电路使用条件不匹配。

二；由用户提供的产品存在质量问题。

对于第二种问题，用户实际上可以通过简单的测试方法就可以鉴别出钽电容器的性能是否能够达到使用要求，而不只是通过高成本的带冒险性质的小批生产来鉴别钽电容器的实际性能高低。

以下内容就是通过钽电容器基本的性能特点总结出的规律，用户可以通过这些简单的测试方法就可以避免有可能出现的严重质量问题。

2．二.该片式钽电容器必须具有尽可能低的等效串联电阻ESR;ESR是片式钽电容器在较高频率时的自有阻抗, 如果ESR较高,在进行大功率放电时相当一部分电能会瞬间转换成热能导致电容器的内部温度升高,由于电容器的漏电流会随温度增加而增加,而漏电流增加又会导致电容器的介质层的实际绝缘电阻下降,因此,发热严重的电容器会非常容易出现击穿现象. 即使不出现由于ESR高导致的击穿,自有阻抗的增加还会导致瞬间放电时的功率密度降低的问题.由于电容器在进行大功率放电时必然存在的热平衡问题,因此,在阻抗一定时,片式钽电容器使用在直流大功率放电电路中可以安全承受的最大直流电流冲击见下式;I=UR/1+ESR上式中;Ｉ：最大的直流浪涌电流（Ａ）ＵＲ：额定电压（Ｖ）ＥＳＲ：等效串联电阻（Ω）从上式可以看出,如果一只产品的ESR较大,那么它可以安全承受的直流浪涌电流将降低,同时也证明;如果一只产品的ESR是另一只的一半, 那么它的抗直流浪涌能力将高一倍，同时它的滤波特性也将较好.另外; 不同ESR值的产品在存在交流纹波的电路里, 一定时间内产生的热量也与其ESR值高低成比例,ESR越高的产品在一定的时间内产生的热量也越高,因此,不同规格的产品由于阻抗ESR值不一样,具有不同的耐纹波电流能力. ESR低的产品不光在高频使用时容量衰减较少,滤波效果较好而可以使用在更高频率的电路,同时因为它具有更大的抗浪涌能力,也成为可靠性要求较高的不断通过瞬时大电流的脉冲充放电电路的基本要求. 这也是大家付出非常大的投入开发高分子片式钽电容器的根本性原因.3.该片式钽电容器必须具有优良的高温性能;军用电路一般都使用在各种极限条件下,因此,当该电容器的工作温度较高时,其高温性能将直接可以决定其可靠性如何.按照GJB2283-95相关文件要求,高温下的实际漏电流没有测试要求,只是对通过高温加电实验的产品进行室温漏电流测试.这是GJB2283-95存在的明显失误之一;因为很多在低温时漏电流不大的片式钽电容器,由于制造工艺技术问题,在高温时漏电流变化率非常高,尽管由于标准很宽可以算合格,但高温时漏电流变化大的产品的可靠性非常差,因此,为了保证T/R组件的高可靠性,其使用的片式钽电容器的高温漏电流必须尽可能小.此点问题带来的失效非常隐蔽,多数用户都不知道. 因此,我建议T/R组件用的片式钽电容器,必须选择在高温时的漏电流变化最小的产品,否则,即使是降额较大也不能避免失效问题的发生.4．当出现个别只产品失效时会自动断开，不会导致电路长时间处于短路状态。

对于一种功率性器件而言，无论你可靠性再高，都会存在个别只产品的失效现象，为保证个别只产品失效后不会导致长时间短路，该产品最好能够迅速处于开路状态。

否则，个别只产品的失效会导致整个供电系统自动崩溃。

二氧化锰作阴极的产品，由于其失效模式为先短路随后开路，因此，可以满足此要求。

但是，对于高分子产品，由于其击穿后通过大电流仍然不燃烧和爆炸，而且一直处于短路状态，因此，使用在对此有较高要求的电路，必须慎重使用高分子片式钽电容器！因为一旦出现个别只短路，将导致电源系统在较长时间内处于短路状态而自动关闭，而且不能自动重启。

对于采用多只并联使用的瞬时电源电路，类似于T/R组件这类电路，为了保证电磁波发射的功率强度足够[可以探测的距离和强度成正比],施加到电容器上和电容器放电时的功率均较大,此时,如果漏电流偏大,非常容易导致击穿瞬间发生,从而造成该T/R组件功能失效.由于是多只并联使用，因此，当一只产品失效时，如果不能自己迅速短开，不光会导致该T/R模块失效，还会导致所有模块同时失效。

更严重者，还有可能导致所有电源集体自动关闭无法再启动的严重事故！对于此类电路，如果降额合适，选用的片式钽电容器的可靠性也没问题，二氧化锰阴极的片式钽电容器使用在此类电路中整体可靠性将更高。

高分子电容器由于阴极为导电能力很强的有机导体，因此，一般来讲漏电流要比普通片式钽电容器高一个数量级，对于滤波电路，只要不短路，漏电流对滤波效果几乎没有影响，因此，使用在滤波电路的高分子片式钽电容器的漏电流标准可以比二氧化锰作阴极的片式钽电容器高一个数量级对可靠性也没有影响。

但对于使用在大功率放电电路的高分子电容器，对可靠性有决定性影响的是电容器的高温漏电流大小，ESR对可靠性的影响已经降到次要地位。

了解这点对于该类电路的设计师非常重要。

任何一种电子器件，都有其缺点和优点，使用在不同类型的电路，对电容器的基本特性有不同要求，对于滤波电路和放电电路的，就存在这样截然不同的选择。