Pochopení filmových kondenzátorů v jednom článku: Základní znalosti od materiálů po strukturu

I. Materiál jádra: tenký dielektrický film

Dielektrický film je "srdce" z a filmový kondenzátor , přímo určující horní hranici základního výkonu kondenzátoru. Dělí se především do dvou kategorií:

1. Tradiční (nepolární) tenké filmy

Polypropylen (PP, BOPP):

• Výkonnostní charakteristiky: Extrémně nízké ztráty (DF ~0,02%), stabilní dielektrická konstanta, dobré teplotní a frekvenční charakteristiky a vysoký izolační odpor. V současné době je to tenkovrstvý materiál s celkovým výkonem a nejširším spektrem aplikací.
• Aplikace: Vysokofrekvenční, vysokopulzní a vysokoproudé aplikace, jako jsou invertory, spínané zdroje, rezonanční obvody a špičkové audio výhybky.

Polyester (PET):

• Výkonnostní charakteristiky: Vysoká dielektrická konstanta (~3,3), nízká cena a dobrá mechanická pevnost. Má však relativně vysoké ztráty (DF ~0,5 %) a špatné teplotní a frekvenční charakteristiky.
• Aplikace: DC a nízkofrekvenční aplikace, kde jsou požadavky na poměr kapacity k objemu, ale nejsou vysoké požadavky na ztrátu a stabilitu, jako je spotřební elektronika, obecné DC blokování a bypass.

Polyfenylensulfid (PPS):

• Výkonnostní charakteristiky: Vysoká teplotní odolnost (až 125 °C a více), rozměrová stabilita a nižší ztráty než PET. Náklady jsou však vyšší.
• Aplikace: Automobilová elektronika, vysokoteplotní zařízení pro povrchovou montáž (SMD), přesné filtry.

Polyimid (PI):

• Výkonnostní charakteristiky: Král odolnosti vůči vysokým teplotám (až 250 °C nebo více), ale je drahý a obtížně zpracovatelný.
• Aplikace: Letecký, vojenský, vysokoteplotní prostředí.

2. Vznikající (polární) tenké vrstvy – představující vysokou teplotu a vysokou hustotu energie

Polyethylennaftalát (PEN):

• Jeho výkon je mezi PET a PPS a jeho tepelná odolnost je lepší než u PET.

Polybenzoxazol (PBO):

• Díky ultra vysoké tepelné odolnosti a ultra vysoké dielektrické pevnosti je to potenciální materiál pro budoucí filmové kondenzátory pohonu elektrických vozidel.

Fluoropolymery (jako PTFE, FEP):

• Má vysokofrekvenční charakteristiky a extrémně nízké ztráty, ale je obtížně zpracovatelný a má vysoké náklady, proto se používá ve speciálních vysokofrekvenčních mikrovlnných obvodech.

Hlavní kompromisy při výběru materiálu:

• Dielektrická konstanta (εr): Ovlivňuje objemovou účinnost (objem potřebný k dosažení stejné kapacity).
• Tangenta ztráty (tanδ/DF): Ovlivňuje účinnost, tvorbu tepla a hodnotu Q.
• Dielektrická pevnost: Ovlivňuje výdržné napětí.
• Teplotní charakteristiky: Ovlivňuje rozsah provozních teplot a stabilitu kapacity.
• Cena a zpracovatelnost: Vliv na komercializaci.

II. Struktura jádra: Technologie metalizace a elektrody

Podstata tenkovrstvých kondenzátorů spočívá v tom, jak postavit elektrody na tenké vrstvy a z toho lze odvodit produkty s různými charakteristikami.

1. Typ elektrody

Kovová fóliová elektroda:

• Struktura: Kovová fólie (obvykle hliníková nebo zinková) je přímo laminována a navinuta plastovou fólií.
• výhody: Silná schopnost přenášet vysoký proud (nízký odpor elektrod), dobrá tolerance přepětí/nadproudu.
• Nevýhody: Velká velikost, bez schopnosti samoléčení.

Metalizované elektrody (hlavní technologie):

• Struktura: Za vysokého vakua se kov (hliník, zinek nebo jejich slitiny) odpařuje na povrch tenkého filmu v atomární formě a vytváří extrémně tenkou kovovou vrstvu o tloušťce pouhých desítek nanometrů.
• výhody: Malé rozměry a vysoký specifický objem, jeho „samoopravná“ schopnost. Když se dielektrický materiál částečně rozbije, okamžitý vysoký proud generovaný v bodě průrazu způsobí, že se okolní tenká kovová vrstva vypaří a odpaří, čímž se izoluje defekt a obnoví se výkon kondenzátoru.

2. Klíčové technologie pro metalizované elektrody (zlepšení spolehlivosti)

Opuštění hrany a zesílení hrany:

• Opuštění okraje: Během napařování je na okraji fólie ponechána prázdná oblast, aby se zabránilo zkratování dvou elektrod v důsledku kontaktu na okraji po navinutí.
• Zesílené okraje (technologie proudových pojistek): Kovová vrstva na kontaktním povrchu (pozlacený povrch) elektrody je zesílená, zatímco kovová vrstva v centrální aktivní oblasti zůstává extrémně tenká. To zajišťuje nízký kontaktní odpor na kontaktním povrchu a má za následek méně energie potřebné pro samoléčení, což je bezpečnější a spolehlivější.

Technologie dělené elektrody:

• Síťová/pruhovaná segmentace: Rozdělení napařené elektrody na několik malých, vzájemně izolovaných oblastí (jako rybářská síť nebo pruhy).
• výhody: Lokalizuje potenciální samoléčení, výrazně omezuje samoléčebnou energii a plochu, zabraňuje ztrátě kapacity způsobené velkoplošným samoléčením a výrazně zlepšuje životnost a bezpečnost kondenzátorů. Jedná se o standardní technologii pro vysokonapěťové kondenzátory s vysokým výkonem.

III. Konstrukční provedení: Navíjení a laminování

1. Typ vinutí

proces: Dvě nebo více vrstev metalizovaných tenkých filmů jsou navinuty do válcového jádra jako role.

Typy:

• Indukční vinutí: Elektrody jsou vyvedeny z obou konců jádra, což má za následek relativně velkou indukčnost.
• Neindukční vinutí: Elektrody vybíhají z celé koncové plochy jádra (koncová plocha kovu je vytvořena procesem nástřiku zlata). Proudová cesta je paralelní a indukčnost je extrémně nízká, takže je vhodná pro vysokofrekvenční aplikace s vysokými impulsy.

výhody:

• Vyspělá technologie, široký rozsah kapacit a snadná výroba.

Nevýhody:

• Nejedná se o plochý tvar, což může mít za následek nízkou prostorovou efektivitu v některých uspořádáních PCB.

2. Laminovaný typ (jednodílný typ)

proces: Tenké filmy s předem nanesenými elektrodami jsou naskládány paralelně a poté jsou elektrody střídavě vyvedeny prostřednictvím spojovacího procesu, aby vytvořily „sendvičovou“ vícevrstvou strukturu.

výhody:

• Extrémně nízká indukčnost (minimální ESL), vhodná pro ultravysokofrekvenční aplikace.
• Pravidelný tvar (čtvercový/obdélníkový), vhodný pro umístění SMT s vysokou hustotou.
• Lepší odvod tepla.

Nevýhody:

• Proces je složitý a je obtížné dosáhnout velké kapacity/vysokého napětí a náklady jsou relativně vysoké.

Aplikace:

• Vysokofrekvenční vysokofrekvenční obvody, decoupling, mikrovlnné aplikace.

IV. Závěr: Synergické účinky materiálů a struktur

Výkon fóliových kondenzátorů je výsledkem přesné synergie mezi jejich materiálovými vlastnostmi a konstrukčním návrhem.

Budoucí vývojové trendy:

Inovace materiálů: Vyvinout nové polymerní filmy s vyššími teplotami (>150 °C) a vyššími hustotami akumulace energie (vysoké εr, vysoké Eb).

Rafinovaná struktura: Přesnější řízení vzorů depozice páry (segmentace v nanoměřítku) umožňuje lepší kontrolu a výkon samoléčení.

Integrace a modularizace: Integrace více kondenzátorů s tlumivkami, odpory atd. do jednoho modulu, který poskytuje holistické řešení pro systémy výkonové elektroniky.