Razumijevanje filmskih kondenzatora u jednom članku: temeljno znanje od materijala do strukture

I. Materijal jezgre: Dielektrični tanki film

Dielektrični film je "srce" od a filmski kondenzator , izravno određujući gornju granicu osnovne učinkovitosti kondenzatora. Uglavnom se dijele u dvije kategorije:

1. Tradicionalni (nepolarni) tanki filmovi

Polipropilen (PP, BOPP):

• Karakteristike izvedbe: Izuzetno nizak gubitak (DF ~0,02%), stabilna dielektrična konstanta, dobre temperaturne i frekvencijske karakteristike i visok otpor izolacije. Trenutno je to tankoslojni materijal s ukupnim performansama i najširim rasponom primjene.
• Prijave: Visokofrekventne, visokopulsne i visokostrujne aplikacije, kao što su pretvarači, prekidački izvori napajanja, rezonantni krugovi i vrhunske audio skretnice.

Poliester (PET):

• Karakteristike izvedbe: Visoka dielektrična konstanta (~3,3), niska cijena i dobra mehanička čvrstoća. Međutim, ima relativno visoke gubitke (DF ~0,5%) i slabe karakteristike temperature i frekvencije.
• Prijave: Istosmjerne i niskofrekventne aplikacije gdje postoje zahtjevi za omjerom kapaciteta i volumena, ali ne i visoki zahtjevi za gubitkom i stabilnošću, kao što je potrošačka elektronika, općenito blokiranje istosmjerne struje i premosnica.

Polifenilen sulfid (PPS):

• Karakteristike izvedbe: Otpornost na visoke temperature (do 125°C i više), dimenzijska stabilnost i manji gubici od PET-a. Međutim, trošak je veći.
• Prijave: Automobilska elektronika, visokotemperaturni uređaji za površinsku montažu (SMD), precizni filtri.

Poliimid (PI):

• Karakteristike izvedbe: Kralj otpornosti na visoke temperature (do 250°C ili više), ali je skup i težak za obradu.
• Prijave: Zrakoplovna, vojna, okolina visoke temperature.

2. Novi (polarni) tanki filmovi - koji predstavljaju visoku temperaturu i visoku gustoću energije

Polietilen naftalat (PEN):

• Njegov učinak je između PET-a i PPS-a, a otpornost na toplinu bolja je od PET-a.

Polibenzoksazol (PBO):

• Uz ultravisoku otpornost na toplinu i ultravisoku dielektričnu čvrstoću, to je potencijalni materijal za buduće filmske kondenzatore za pogon električnih vozila.

Fluorpolimeri (kao što su PTFE, FEP):

• Ima visokofrekventne karakteristike i izuzetno male gubitke, ali se teško obrađuje i ima visoku cijenu, pa se koristi u posebnim visokofrekventnim mikrovalnim krugovima.

Osnovni kompromisi u odabiru materijala:

• Dielektrična konstanta (εr): Utječe na volumetrijsku učinkovitost (volumen potreban za postizanje istog kapaciteta).
• Tangens gubitka (tanδ/DF): Utječe na učinkovitost, stvaranje topline i Q vrijednost.
• Dielektrična čvrstoća: Utječe na otporni napon.
• Temperaturne karakteristike: Utječu na raspon radne temperature i stabilnost kapaciteta.
• Cijena i mogućnost obrade: Utjecaj na komercijalizaciju.

II. Struktura jezgre: tehnologija metalizacije i elektrode

Bit tankoslojnih kondenzatora leži u tome kako se na tanke filmove ugrade elektrode, a iz toga se mogu proizvesti proizvodi različitih karakteristika.

1. Vrsta elektrode

Elektroda od metalne folije:

• Struktura: Metalna folija (obično aluminijska ili cink) izravno je laminirana i omotana plastičnom folijom.
• Prednosti: Snažna sposobnost prijenosa velike struje (mali otpor elektroda), dobra tolerancija prenapona/prenapona.
• Nedostaci: Velika veličina, nema sposobnost samoizlječenja.

Metalizirane elektrode (glavna tehnologija):

• Struktura: Pod visokim vakuumom, metal (aluminij, cink ili njihove legure) se isparava na površini tankog filma u atomskom obliku da bi se formirao izuzetno tanak metalni sloj debljine samo nekoliko desetaka nanometara.
• Prednosti: Male veličine i velikog specifičnog volumena, njegova sposobnost "samoizlječenja". Kada se dielektrični materijal djelomično pokvari, trenutna velika struja koja se stvara na točki kvara uzrokuje isparavanje i isparavanje okolnog tankog metalnog sloja, čime se izolira kvar i vraća rad kondenzatora.

2. Ključne tehnologije za metalizirane elektrode (poboljšanje pouzdanosti)

Napuštanje ruba i podebljavanje ruba:

• Napuštanje ruba: Tijekom taloženja iz pare, na rubu filma ostavlja se prazno područje kako bi se spriječio kratki spoj dviju elektroda zbog kontakta na rubu nakon namotavanja.
• Podebljani rubovi (tehnologija trenutnog osigurača): Metalni sloj na kontaktnoj površini (pozlaćena površina) elektrode je zadebljan, dok metalni sloj u središnjem aktivnom području ostaje izuzetno tanak. To osigurava nizak kontaktni otpor na kontaktnoj površini i rezultira s manje energije potrebne za samoozdravljenje, što ga čini sigurnijim i pouzdanijim.

Tehnologija podijeljene elektrode:

• Mrežasta/prugasta segmentacija: Dijeljenje elektrode nanesene parom na više malih, međusobno izoliranih područja (poput ribarske mreže ili pruga).
• Prednosti: Lokalizira potencijalno samoiscjeljivanje, uvelike ograničavajući energiju i područje samoiscjeljivanja, sprječavajući gubitak kapaciteta uzrokovan samoiscjeljivanjem velikog područja i značajno poboljšavajući trajnost i sigurnost kondenzatora. Ovo je standardna tehnologija za visokonaponske kondenzatore velike snage.

III. Strukturalni dizajn: namatanje i laminiranje

1. Vrsta namota

Proces: Dva ili više slojeva metaliziranih tankih filmova namotani su u cilindričnu jezgru poput valjka.

Vrste:

• Induktivni namot: Elektrode se izvode s oba kraja jezgre, što rezultira relativno velikim induktivitetom.
• Neinduktivni namot: Elektrode se protežu od cijele čeone strane jezgre (metalna čeona strana formirana je postupkom raspršivanja zlata). Strujni put je paralelan, a induktivitet je izuzetno nizak, što ga čini prikladnim za visokofrekventne i visokopulsne primjene.

Prednosti:

• Zrela tehnologija, širok raspon kapaciteta i jednostavna proizvodnja.

Nedostaci:

• Nije ravnog oblika, što može rezultirati niskom učinkovitošću prostora u nekim rasporedima PCB-a.

2. Laminirani tip (jednodijelni tip)

Proces: Tanki filmovi s prethodno nanesenim elektrodama složeni su paralelno, a zatim se elektrode naizmjence izvode kroz proces spajanja kako bi se formirala "sendvič" višeslojna struktura.

Prednosti:

• Ekstremno niska induktivnost (minimalna ESL), pogodna za ultra-visoke frekvencije.
• Pravilnog oblika (kvadratni/pravokutni), pogodan za postavljanje SMT visoke gustoće.
• Bolje odvođenje topline.

Nedostaci:

• Proces je složen i teško je postići veliki kapacitet/visoki napon, a cijena je relativno visoka.

Prijave:

• Visokofrekventni radiofrekvencijski krugovi, odvajanje, mikrovalne primjene.

IV. Zaključak: Sinergijski učinci materijala i konstrukcija

Učinkovitost filmskih kondenzatora rezultat je precizne sinergije između njihovih svojstava materijala i strukturnog dizajna.

Budući razvojni trendovi:

Inovacija materijala: Razviti nove polimerne filmove s višim temperaturama (>150°C) i većom gustoćom skladištenja energije (visoki εr, visoki Eb).

Pročišćena struktura: Preciznija kontrola uzoraka taloženja pare (segmentacija nanomjere) omogućuje bolju kontrolu i izvedbu samoiscjeljivanja.

Integracija i modulacija: Integracija više kondenzatora s induktorima, otpornicima itd. u jedan modul kako bi se osiguralo holističko rješenje za energetske elektroničke sustave.