Designprinzipien und Überlegungen für hochfrequente Elektrolytkondensatoren mit niedriger Impedanz
Hochfrequenz-Elektrolytkondensatoren mit niedriger Impedanz sind ein neuer Kondensatortyp, der speziell für die Anforderungen von Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Schaltnetzteilen und digitalen Schaltungen entwickelt wurde. Sie zeichnen sich durch geringe Verluste, hervorragende Hochfrequenzeigenschaften und eine niedrigere Impedanz bei hohen Frequenzen (etwa 1/3 bis 1/2 der Impedanz von Standardprodukten) aus. Sie ermöglichen außerdem einen höheren Welligkeitsstrom. Die Leistungsklasse dieser Kondensatoren wird typischerweise durch ihre Impedanz (Z) oder ihren äquivalenten Serienwiderstand (ESR) bei 100 kHz sowie den maximal zulässigen Welligkeitsstrom definiert.
1. Die praktische Bedeutung hochfrequenter, niederohmiger Elektrolytkondensatoren
1.1 Die Ersatzreihenschaltung eines realen Kondensators
Ein tatsächlicher Elektrolytkondensator kann als Reihenschaltung aus Kapazität (C), äquivalentem Serienwiderstand (ESR) und äquivalenter Serieninduktivität (ESL) modelliert werden.
1.2 Der Zusammenhang zwischen Frequenz und Impedanz
Der ESR eines Kondensators nimmt mit zunehmender Frequenz ab, aber sein Verlustfaktor (
) steigt. Die Senkung des ESR trägt dazu bei, den Anstieg der
mit der Häufigkeit.
Die Impedanz (Z) eines Kondensators spiegelt die Auswirkungen von ESR und ESL auf die Frequenz vollständig wider.
Bei der Resonanzfrequenz (
), Z ist am Minimum.
stellt die höchste Frequenz dar, bei der die Komponente effektiv als Kondensator fungiert. Über diesem Punkt verliert sie ihre kapazitiven Eigenschaften.
Bei hohen Frequenzen, wenn ESL vernachlässigbar ist, ist Z ungefähr gleich ESR. In diesem Fall hat Z eine starke Korrelation mit
.
Daher führt ein niedrigerer Z-Wert und ESR bei hohen Frequenzen zu einer geringeren
, wodurch der zulässige Welligkeitsstrom erhöht, der Temperaturanstieg verringert, die Wärmeentwicklung verringert und die Lebensdauer des Kondensators verlängert wird.
1.3 Filtereffizienz
Die Filtereffizienz steht in direktem Zusammenhang mit der Welligkeitsspannung:
Bei gleichem Welligkeitsstrom führt ein niedrigerer Z zu einer niedrigeren Welligkeitsspannung und einer besseren Filterleistung.
2. Design und Überlegungen zu hochfrequenten Elektrolytkondensatoren mit niedriger Impedanz
2.1 Grundvoraussetzungen
Miniaturisierung: Muss dem Trend zu kleineren elektronischen Geräten entsprechen.
Hochfrequenzleistung: Muss darauf abzielen, die Resonanzfrequenz zu maximieren (
) und verbessern die Hochfrequenzeigenschaften, vor allem durch die Reduzierung von ESL bei gleichzeitiger Senkung
.
Niedrige Z/ESR: Die Minimierung von Z oder ESR verbessert nicht nur die Filterung, sondern trägt auch zur Reduzierung des Temperaturanstiegs (Wärmeleistung) bei
) und erhöht die Welligkeitsstromkapazität.
2.2 Elektrolytkondensatoren mit niedriger Spannung, hoher Frequenz und niedriger Impedanz
1. Miniaturisierung
Um eine geringere Größe zu erreichen, sollte Folie mit hoher Kapazität verwendet werden. Eine hohe Kapazität erhöht jedoch den Widerstand der Folie, was einem niedrigen ESR entgegenwirkt. Es muss ein Gleichgewicht gefunden werden. Um dieses Problem zu lösen, wurden spezielle Folien für Hochfrequenz-Kondensatoren mit niedriger Impedanz entwickelt. Sie zielen auf eine hohe Kapazität bei minimalem Folienwiderstand ab, indem sie sich auf Ätz- und Formgebungstechniken konzentrieren. Dabei werden die Qualität des Oxidfilms und sein Spannungskoeffizient verbessert, was wiederum die Kapazität bei einer gegebenen Spannung erhöht.
2. Hochfrequenzleistung
Die Senkung des ESL ist der Schlüssel zur Verbesserung der Hochfrequenzleistung. Die Induktivität eines Kondensators ergibt sich aus seinen Anschlüssen und seinen inneren Wicklungen (dem Kern).
Anschlussinduktivität: Bei bedrahteten Kondensatoren tragen dicke, kurze Anschlüsse zur Reduzierung der Induktivität bei. Bei Kondensatoren mit internen Laschen hängt die Induktivität der Lasche von ihrer Länge, Breite und Dicke sowie der Anzahl der Laschen ab. Eine längere Lasche bedeutet eine höhere Induktivität; mehr Laschen führen zu einer geringeren Induktivität.
Kerninduktivität: Die Kerninduktivität ist proportional zum Verhältnis der Folienlänge (l) zu ihrer Breite (w). Bei l/w = 23 ist die Kerninduktivität minimal. Ein langer, schmaler Wicklungskern hat daher in der Regel eine geringere Induktivität als ein kurzer, breiter.
Darüber hinaus können Wicklungsmethoden wie Mehrleiterkonstruktionen, gestapelte Konstruktionen oder zylindrische Wicklungen mit hervorstehender Folie verwendet werden, um die Induktivität zu senken.
3. Senkung von Z oder ESR
Der ESR entsteht hauptsächlich durch den Leitungswiderstand, den Kontaktwiderstand zwischen Folie und Lasche, den Widerstand des Elektrolyten und den Widerstand des Separatorpapiers.
Leitungen: Obwohl sie keinen nennenswerten Widerstand darstellen, sollten die Leitungen von hoher Qualität sein, eine glatte Oberfläche und einen Durchmesser aufweisen, der gut zum Verschlussstopfen passt.
Laschen: Hochwertige Laschen sollten in einer dicken, kurzen oder mehrpaarigen Konfiguration verwendet werden, um die Induktivität und den Widerstand zu verringern und Korrosion durch Chloridionen zu verhindern.
Folienkontaktwiderstand: Um eine feste Verbindung zwischen der Leitung und der Folie zu gewährleisten und den Kontaktwiderstand zu verringern, sollte Laserschweißen oder Ultraschallschweißen eingesetzt werden.
Folie: Der Folienwiderstand wird maßgeblich von der Länge bestimmt. Stark geätzte Folien weisen einen höheren Widerstand auf, dieser Effekt wird jedoch durch eine Mehrlaschenstruktur minimiert.
Elektrolyt und Separatorpapier: Um den ESR zu senken, liegt der Schwerpunkt bei Hochfrequenz-Kondensatoren mit niedriger Impedanz auf der Verwendung von Elektrolyten mit hoher Leitfähigkeit und Separatorpapier mit geringer Dichte.
Elektrolyt: Elektrolyte auf Wasserbasis haben eine viel höhere Leitfähigkeit als nichtwässrige.
Papier: Papier mit geringerer Dichte kann seine Festigkeit beeinträchtigen, was zur Entwicklung von gemustertem Papier führt. Dies erfordert auch strengere Anforderungen an den gratfreien Folienschnitt.
2.3 Elektrolytkondensatoren für mittlere bis hohe Spannung, hohe Frequenz und niedrige Impedanz
1. Notwendigkeit
Hochspannungskondensatoren (400–450 V), die zur Eingangsfilterung in Schaltnetzteilen verwendet werden, müssen auch eine gewisse Hochfrequenzwelligkeit bewältigen. Der Einsatz von Hochfrequenz-Hochspannungskondensatoren mit niedriger Impedanz trägt zur Reduzierung der Hochfrequenzimpedanz bei, was die Eingangsfilterwirkung verbessert, den Temperaturanstieg reduziert und die Welligkeitsstrombelastbarkeit sowie die Lebensdauer erhöht. Dies hat die kontinuierliche Weiterentwicklung dieses Kondensatortyps vorangetrieben.
2. Designüberlegungen
Die grundlegenden Anforderungen sind dieselben wie bei Niederspannungsprodukten, der Lösungsansatz ist jedoch ein anderer. Da sich die Leitfähigkeit von Hochspannungselektrolyten nur schwer durch Zugabe von Wasser erhöhen lässt, müssen andere Methoden wie die Verwendung verzweigter Elektrolytsalze eingesetzt werden. Auch die Verbesserung des Kapazität-Volumen-Verhältnisses von Hochspannungsfolien schreitet langsamer voran. Daher müssen die Anforderungen an die Miniaturisierung von Mittel- bis Hochspannungsprodukten flexibler gestaltet werden. Bei unzureichender Elektrolytleitfähigkeit kann eine Folie mit geringerer Kapazität verwendet werden, um niedrigere Z- und ESR-Werte zu erzielen. Zur Verbesserung der Lebensdauer und Hitzebeständigkeit können auch Folien mit einer höheren Formierungsspannung eingesetzt werden.
Gebäude 8&9&12, Fabrik zur Standardisierung elektronischer Informationen, Wirtschaftsentwicklungszone Susong, Provinz Anhui, P. R .China.
R&D-Mitte: Hauptsitz Dongguan
Fertigungszentrum: Susong, Anqing, Anhui