MnO2钽固体电解电容器介绍

★★★ Cap-5---钽固体电解电容 ★★★

引言：MnO2钽电解电容器的基本结构与铝电解电容器大致相同，其作为阳极的钽金属粉的烧结体表面形成作为电介质的五氧化钽，电解质采用了二氧化锰(固体)的结构。MnO2钽电解电容器具有以下特点：形状比铝电解电容器小，频率特性优异，寿命长(电解质为固体)。但是故障模式为短路，有导致起火的危险，必须采取安全对策使用。

€1.各类电容的适用分布

一般来说，电容器用于以下目的，由于每种电容器类型的特性不同，适用的应用存在不同：

图5-1：各类电容分布域

表5-1：电容器各类型简易对比

€2.钽电容的特性

钽电容器电容范围可达数千µF，对于MnO2固体钽技术，传统的固体电解质为二氧化锰，但导电聚合物类型由于其较低的ESR和降低的点火特性而越来越有利。另一方面，二氧化锰型在高温机械应力下具有稳定的电气参数，因此高可靠性和较长的运行寿命的应用仍主要使用可靠性二氧化锰型作为主要的钽固体电容器。

图5-2：钽结构，用正极材料（锰或聚合物）划分钽电容器的类型

钽电容器的缺陷主要是由于初始制造故障。在出厂筛选出缺陷品之后，合格品在使用时异常稳定（聚合物钽失效率可能会由于磨损现象而增加）。与其他电容器相比，这些器件表现出非常稳定的缺陷率，由于其可靠性，在使用钽电容器时可以确保其长期的稳定和可靠。

€3.钽电容的使用

电动汽车牵引逆变器中直流电容器的目的是将负载与直流电源分离。在这个作用中，电容吸收由逆变器的开关序列产生的大的纹波电流。一般来说，应用于三相逆变器的直流电容可以经受高达60%的均方根负载电流，因此该电容器需要存储一定量的能量，以防止纹波电压。

大容量的电容器在逆变器中占据相当大的空间，因此最小化电容器组的容量和最大功率和能量密度来优化牵引逆变器的体积是很重要的。适用于相关逆变器的最常用的电容器是电解电容器、陶瓷电容器（MLCC）和薄膜电容器。其中电解电容器是现有电机驱动应用中应用最广泛的一种，其成本最低和能量密度最高，但由于其寿命短、电流电导率有限、低频特性有限，因此只能用作直流滤波器电容器。相比之下，薄膜电容器由于相对于电解电容器的高可靠性、高电流传导能力、高频运行、低ESR而被广泛用作电动汽车电机单元的应用电容器。然而，由于其缺点是体积比电介质的电解电容器大，因此它可能不是一个寻求小型化的逆变器的合适的解决方案。

另一个为逆变器的高度首选的电容器是MLCC。MLCC可以比其他电容器更小，并且可以在高压下使用。但实际MLCC也有一个局限性，由于CV相对于（高）额定电压的限制，MLCC容量不能做到很大，100uF就已经基本到达工艺极限。

在某些应用中，可以克服这些缺点的解决方案可能是钽电容器。钽电容器不能达到高电压，但由于容量高于MLCC，可以产生更大的容量。然而，钽技术的电压范围受到相对较低额定电压的限制。通常这些器件可以用作逆变器电路中较低电压IGBT前端的平滑电容。另一种用途是用于具有大容量和小ESR的通用低至中压额定滤波器（在低ESR聚合物钽产品的情况下）。

选择一个较大的电容值通常会减少输出纹波。然而不必要的大电容值通过增加电容器的尺寸来增加成本。考虑允许纹波值的优化，然后选择电容种类和电容值。例如如果DC/DC转换器与低ESR电容不兼容，则使用特别低的ESR电容技术可能导致异常工作模式切换。因此，如果在连续模式下使用低ESR电容器，则需要检查负载-瞬态响应，以确认输出电压可以快速稳定（通常针对两个开关周期）。

纹波与ESR值成比例增加，与CL值成反比增加。在铝电解电容器的情况下，ESR值非常大，因此陶瓷电容器通常是并联（ESR越并越小）的，以稳定和优化输出电流。表5-2推荐了升压和降压的Cout容值：

表5-2：推荐使用钽电容容值