Není to tak dávno co jsme si představili novou technologii kondenzátorů High Voltage PMLCAP (Polymer Multi-Layer CAPacitor) od RUBYCONu. Tentokrát uvedeme, jaké výhody mají oproti fóliovým kondenzátorům.

Základní informace:

• PMLCAP je zkratka pro Polymer Multi-Layer CAPacitor
• Netrpí piezoelektrickým efektem, který způsobuje rušení a nepříznivý hluk (charakteristické pro MLCC)
• Nevykazuje zkreslení stejnosměrného napětí (charakteristické pro MLCC)
• Vyznačuje se stabilní kapacitou v širokém teplotním rozsahu
• Nehrozí žádné riziko zkratu, kouře nebo požáru
• Dnes se používá hlavně ve špičkových audio obvodech jako náhrada MLCC
• Na trh bylo odesláno již více než 300 milionů kusů
• Široce používané, včetně automobilového nebo NASA Mars lander »InSight«

Dnes jsou PMLCAP kondenzátory k dispozici v řadách MU a MS pro nízkonapěťové aplikace v rozsahu od 10 V do 100 V. Tyto řady mají 10 krát menší velikost než metalizovaný fóliový kondenzátor při zachování stejných vlastností. Ačkoli velikost může být o něco větší ve srovnání s MLCC, PMLCAP nevykazují nežádoucí vlastnosti, které se běžně vyskytují u MLCC (třída 2) jako je DC-bias nebo piezoelektrický efekt. RUBYCON prosazuje vývoj PMLCAP pro vysokonapěťový trh, zaměřených na napětí od 500 V do 900 V. V současné době jsou ve vývoji dvě řady HPB (typu „Box“) a HPM (typu „Module“) v kapacitách od 5μF do 25μF.

Čím se vysokonapěťové PMLCAP tak odlišují?

1. Malá velikost: Miniaturizace téměř o 50 % ve srovnání s fóliovými kondenzátory

Toto významné snížení velikosti je připisováno rozdílu v dielektrických konstantách mezi fóliovými kondenzátory používajícími PP (polypropylen) s rozsahem 2,1-2,2 K a PMLCAP využívajícími akryl s hodnotou 2.9 K. Díky tomu PMLCAP mají lepší schopnost ukládat elektrický náboj ve srovnání s kondenzátory z PP fólie. Se současnou řadou HPB dosáhl RUBYCON 30% zmenšení velikosti ve srovnání s fóliovými kondenzátory s ekvivalentními vlastnostmi.

RUBYCON zvyšuje také gradient napětí PMLCAP na 300 V/μm. Tím překonává hodnotu 250 V/μm typickou pro fóliové kondenzátory. Po dosažení tohoto milníku se předpokládá, že velikost řady HPB bude téměř o 50 % menší než dnešní fóliové kondenzátory se stejnými vlastnostmi.

2. Miniaturizace: Dalším cílem je zvýšení gradientu napětí nad 300 V/μm

Čím vyšší je gradient napětí, tím menší bude velikost kondenzátoru. Pro zvýšení napěťového gradientu je klíčovým faktorem pojistka, která chrání kondenzátor před zkratem a samovolným vznícením (thermal runaway). Pokud se zvýší počet „pojistek“ ve stejné velikosti vrstvy fólie dostaneme stabilní kapacitu, ale tento zvýšený počet pojistek sníží potřebnou plochu a celková kapacita bude nižší. Proto je nutná další technická inovace ke zvýšení napěťového gradientu fóliových kondenzátorů (viz obrázek 3). PMLCAP takové schéma pojistek nepoužívá. Pro dosažení vyššího gradientu napětí má PMLCAP větší flexibilitu designu, jako je výběr materiálu, strukturální změny atd. RUBYCON předpokládá možnost dosažení hranice 300 V/μm v blízké budoucnosti a má za cíl tuto hranici překonat a tak nic nebude bránit dosáhnout větší miniaturizace při zachování všech vlastností.

3.Teplotní odolnost: Spolehlivý provoz při 125 °C, s cílem na 150 °C

Dielektrický materiál fóliového kondenzátoru je typicky termoplastický, přičemž PP fólie se běžně používá kvůli nízkému disipačnímu faktoru (ztrátě). Teplota tání PP je však pouze v rozmezí 160 až 170 °C. V důsledku toho při teplotě 125 °C zůstává přítomné riziko tepelného samovznícení. Naproti tomu dielektrický materiál PMLCAP je akryl, který se začne rozkládat až při teplotě 400 °C. Nemá teplotu tání. Proto PMLCAP nevykazuje rizikové chování při teplotách okolo 125 °C. Samotný kondenzátor dokáže odolat vyšším teplotním nárůstům v důsledku zvýšeného zvlnění proudu. Čím vyšší je teplota a zvlnění proudu, tím výhodnější je použít PMLCAP a dosáhnout miniaturizace designu.

4. SMD provedení: Odolá pájení přetavením

Výjimečná tepelná odolnost PMLCAP otevírá další příležitost, a to je montáž jako SMD součástky tedy pomocí pájení přetavením. Nízkonapěťové řady MU a MS jsou již dostupné jako SMD součástky. Vysokonapěťové kondenzátory HPB a HPM budou následovat.  

5. Stabilní napětí: Žádný pokles napětí až do teploty 125°C.

Pokud uvažujete o použití fóliového kondenzátoru v podmínkách, kde jsou vysoké teploty i napětí, stává se pokles napětí (voltage derating) klíčovým faktorem, který je třeba řešit. Fóliový kondenzátor dimenzovaný na 900 V nelze provozovat při plné kapacitě na 900 V v rozsahu vysokých teplot jako je 125 °C.  V důsledku toho musí být v takovém případě použit kondenzátor s vyšším napětím. Jednou významnou výhodou PMLCAP je absence tohoto poklesu napětí. Jmenovité napětí pro PMLCAP lze použít ve všech rozsazích provozních teplot. Dokonce i při 125 °C je řada HPB i HPM schopna pracovat při stejném napětí jako je jejich jmenovité napětí. Pro obvody, kde je napětí 900 V již není nutné používat fóliové kondenzátory dimenzovány na 1000 V nebo vyšší. Místo toho je volba jasná a to menší 900 V PMLCAP kondenzátor

6. Zvlnění proudu nad 10 kHz: Speciálně pro SiC a správu napájení

Disipační faktor PMLCAP je 0,5 % při 1 kHz. To je mnohonásobně více než u PP fólie, kde disipační faktor je 0,02 %. PMLCAP má tak vyšší ztráty ve srovnání s PP fóliovými kondenzátory, pokud jde o vlastnosti materiálu. Tato nevýhoda se však projevuje jen do spínací frekvence 1 kHz.

Pokud spínací frekvence se pohybuje nad 10 kHz ( běžná frekvence u stejnosměrných napájecích zdrojů) PMLCAP vykazuje vyšší velikost zvlnění proudu.  

Vrstvy v PMLCAP jsou zapojeny do série podobně jako kondenzátory v sérii. Jak je znázorněno na obrázku níže, srovnání mezi fóliovým kondenzátorem (bez série) a PMLCAP (5 serial) zdůrazňuje, že elektrodový odpor PMLCAP je pětkrát menší. Sériová struktura navíc usnadňuje lepší rozptyl tepla. Tepelná vodivost v podélném směru je přibližně 2.3krát lepší než u běžného fóliového kondenzátoru. Tato konstrukce je tak schopna pojmout vyšší zvlnění proudů.

7. Spolehlivost výroby: RUBYCON je dnes jediným lídrem ve výrobě

Již více než deset let RUBYCON vyrábí a dodává na trh PMLCAP kondenzátory. Tyto kondenzátory jsou nyní široce využívány v různých aplikacích. Od spotřebního zboží po automobilový průmysl a dokonce i pro vesmírné aplikace jako je přistávací modul na Marsu »InSight«. Je důležité poznamenat, že technologie PMLCAP byla vyvinuta ještě před zapojením RUBYCONu do výrobního procesu. RUBYCON byl pouze jedním z přispěvatelů k rozvoji této technologie. Dnes se sice objevují i jiní výrobci PMLCAP, ale RUBYCON je zatím jediný s rozsáhlými výrobními zkušenostmi. Toto know-how nashromážděné za více než deset let jen tak konkurence nedožene.

8. Použití: Náhrada mnoha jiných kondenzátorů.

Díky výše uvedeným výhodám jsou PMLCAP kondenzátory považovány jako náhrada fóliových kondenzátorů běžně používaných ve vysokorychlostních teplotně namáhaných aplikacích jako jsou automobilové invertory a převodovky. PMLCAP nabízí několik výhod jako je miniaturizace, menší hmotnost, absence poklesu napětí, nízké riziko v prostředí s vysokou teplotou a vykazuje vyšší zvlnění proudu.

Pro více informací kontaktujte distributora Codico (www.codico.com): jakub.novak@codico.com. Zde také můžete směřovat veškeré své dotazy.