陶瓷電容器在高壓下有效容值的最大化

時(shí)間:2015-05-20 09:44來源:未知 作者:火凡
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  陶瓷電容器基本可劃分為兩大類:穩(wěn)定的2級電介質(zhì),包括X7R、X5R和X8R,以及超穩(wěn)定的1級電介質(zhì),包括C0G/NP0。實(shí)際上還存在3級電介質(zhì),但是這種極少用到。電介質(zhì)的類型決定了它們的性能特色,電路設(shè)計(jì)工程師據(jù)此可視應(yīng)用的具體情形預(yù)測電路性能。

陶瓷電容器在高壓下有效容值的最大化(電子工程專輯)
(其中紅色字體為Knowles公司Syfer品牌的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)

  一般說來,電介質(zhì)特性越穩(wěn)定,所能獲得的容值就越低,為了實(shí)現(xiàn)最高的穩(wěn)定性、最低的損耗和0老化,我們選擇1級電介質(zhì),代價(jià)就是只能實(shí)現(xiàn)低容值;而為了獲取較高的容值,我們選擇2級電介質(zhì),然而后果就是如上圖所示的性能的波動,以及老化現(xiàn)象和更高的損耗。

  2級電介質(zhì)另一個(gè)極少提及或定義的屬性就是容值的電壓系數(shù)(VCC)。VCC有時(shí)非常重要,根據(jù)具體的應(yīng)用要求,它可對電路的性能產(chǎn)生重大的影響。

  有些種類的電介質(zhì)材料和電容器的VCC性能有所提升,但是選擇性有限。Knowles/Syfer的VC1系列陶瓷電容器(穩(wěn)定VCC,抗壓電效應(yīng))旨在針對該領(lǐng)域的應(yīng)用給出更寬范圍的選項(xiàng)。

  長久以來,隨著材料和制造工藝的進(jìn)步以及對于電容器設(shè)計(jì)和失效模式的理解的加深,多層陶瓷電容的體積效率也得到了巨大提升。例如,10年前,Knowles/Syfer僅能提供1812,1kV,56nF的電容,現(xiàn)如今針對同樣的尺寸和電壓,已能實(shí)現(xiàn)180nF的容值。3倍容值的提升是一項(xiàng)重大進(jìn)步,而在低電壓應(yīng)用領(lǐng)域,賤金屬電極及超薄介質(zhì)層技術(shù)的改進(jìn)更是大幅提高了電容的容值密度。但與之相對應(yīng)的代價(jià)在于,電容器在工作中的實(shí)際容值,即“殘余容值”可能急劇地降低。

  VCC與電介質(zhì)材料本身和應(yīng)用于該介質(zhì)材料的電壓應(yīng)力相關(guān)。改進(jìn)電介質(zhì)材料的品質(zhì)以提升介質(zhì)強(qiáng)度可降低介質(zhì)材料的厚度,而這正是提高體積效率的方式。電介質(zhì)材料厚度減半可使得容值提升四倍,因?yàn)獒槍o定厚度,相當(dāng)于使得多層陶瓷電容的層數(shù)變?yōu)橹暗膬杀叮瑢訑?shù)之間的距離變?yōu)橹暗?/2,容值與由電極隔開各層之間重疊的面積之和成一定比例。

  介質(zhì)材料厚度的逐步減小導(dǎo)致VCC性能的持續(xù)降低;額定電壓下電容器失去90%的名義容值這類現(xiàn)象并不鮮見。由于相關(guān)的安全余量不同,通常情況下高壓電容的性能表現(xiàn)要劣于低壓電容。盡管存在這一缺點(diǎn),減薄介質(zhì)層厚度畢竟可以提供更高的容值,同時(shí)很多用戶也會選擇降額使用電容,因此容值的衰減情況還是可控的。在一些穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用中,使用電容器時(shí)要謹(jǐn)記這個(gè)特性,而且VCC是可以計(jì)算的。

  為了達(dá)到穩(wěn)定性的要求,一些應(yīng)用中會指定電介質(zhì)的選用,如軍標(biāo)BZ和BX或IECQ-CECC 2C1和2X1分級:

  采用這些電介質(zhì)的電容器能提供卓越的穩(wěn)定性,然而也需要付出代價(jià),即其僅限于在參數(shù)范圍內(nèi)使用。就2C1(BZ)系列的電容而言,Knowles/Syfer可提供最大的產(chǎn)品范圍到200V,2225尺寸,120nF。

  但是我們需要在普通X7R電介質(zhì)的高容值和軍工類電介質(zhì)的高穩(wěn)定性間取得一個(gè)平衡,同樣我們也要求提升大尺寸和高電壓的電容器的電壓穩(wěn)定性。Knowles/Syfer評估了各種電介質(zhì)材料的特性,并進(jìn)行了設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性和一致性。

  Knowles/Syfer的VC1系列多層陶瓷電容在額定電壓下提供更大的更穩(wěn)定的容值。經(jīng)過設(shè)計(jì),在室溫環(huán)境下,隨著電壓逐漸上升到額定電壓值,VC1電容器的容值衰減不會超過50% (相比1Vrms 1kHz時(shí)的名義容值)。該系列電容器可在額定電壓下持續(xù)可靠地工作,但如果在低于額定電壓的條件下工作,則可提供更大比例的殘余容值,若在80%的額定電壓下工作,其容值會下降大約40%。下圖是容值隨著電壓的變化而產(chǎn)生的變化曲線,藍(lán)色曲線是VC1系列,而紅色曲線是普通X7R系列。

(責(zé)任編輯:王杰)
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