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钽混合电容器
钽混合电容器—一种中压范围内有效功率密度最高的电容器
摘要
钽混合电解质/电化学电容器是一种用途非常广的元件，可在多种领域中使用。
本文涉及到此类电容器的脉冲放电特性测量和比功率测定。
测量过程中所选用的是额定电压≥100V的电容器。
电容器被重复地放置在低电阻负载中。
每一个元件均进行了超过140次的浪涌放电。
经过统计处理后，我们给出相应的结论。
通过测量，可计算出混合电容器的等效串联电阻，并在此基础上确定出其比功率。
测量钽混合电容器的同时，还测量了一些铝电解质电容器，并给出相应的测量结果。
在此结果的基础上，对电容器特性进行了比较。
在中压范围内钽混合电容器的体积比功率最高（与其尺寸有关）。
一、前言
钽混合电容器充分利用了电解质和电化学电容器的优点。
此种电容器由电解质电容器的阳极、电化学电容器的阴极和可相互兼容的电解质结合而成。
钽混合电容器是由Ta2O5阳极介质氧化膜电容、高电化学电容、RuO2导电金属氧化膜结合而成。
氧化钌生成电化学阴极。
在没有超过含水电解质击穿电压的情况下，通过在阳极上使用介质氧化层可实现高工作电压。
这样就可以生产出高电池电压的电容器。
可以在了解普通电解质电容器的条件下，考虑钽混合电容器的优势。
这里，通常在这两种电极上都可以发现氧化层。
相比阴极，阳极氧化层要厚，可以设定电容器的工作电压。
阴极氧化层非常薄，可以设定元件的反向电压能力。
由于阳极和阴极电容量是串联的，因此必要时可尽可能高的保持阴极电容量，以减小对整个电容器电容量的影响。
公式1所示的是串联电容器之间的相互关系。
（1）
公式中，CC和CA分别表示阴极和阳极的电容量。
电解质电容器的特性（额定容量和额定电压）完全可通过阳极氧化层的特性给定。
阴极氧化层必须确保其容量尽可能高。
在普通电解质电容器中，阳极和阴极所占的体积几乎相同；这样的结构其能量和功率体积效率会略微受限。
在钽混合电容器中，可使用以氧化钌为基质的电化学阴极材料来取代钽电解质电容器中常用的阴极材料。
氧化钌和薄钽箔可结合。
此类阴极提供高额定电容量（可达100mF/cm2）。
和传统阴极相比，这种阴极尺寸极小（体积也是如此）。
使用有效空间可以增大阳极，这可以增加电容量或是额定电压，或是使电容器变得更小。
图1钽混合电容器全等效电路图转换成简化等效电路图
图1所示的是钽混合电容器全等效电路图转换成简化等效电路图的示意图，这可以满足不同应用的需求。
有了全等效电路图的帮助，我们可以简略地描述钽混合电容器的技术。
钽阳极是通过压制、烧结高纯度钽粉而生产出的。
通过烧结，多孔钽阳极被生产出，随后可以覆盖Ta2O5电介质氧化膜。
钽阳极内表面积要比外部几何尺寸大许多倍。
电介质层是在一个被称为形成的过程中通过电化学的方式生成的。
电介质厚度与钽阳极形成期间所施加的电压值有相互关系。
形成电压要比额定电压要高，对于混合电容器来说，形成电压和额定电压之间的比率至少要1.3倍。
在等效电路图中，参数ROx表示氧化层的泄漏电阻和表征这一特定层整流阀的DV二极管。
ESL表示混合电容器的等效串联电感。
相比较铝电解电容器，混合电容器具有更低的寄生电感，因为金属阳极块取代了缠绕结构。
因此，混合电容器的谐振频率更高。
ESR是电容器的等效串联电阻。
正如下面所描述的内容，这是一个很重要的参数，因为在此基础上可以定义出电容器的比功率。
其重要性足可以影响到此类电解质电容器的使用。
工作电压≤125V的钽混合电解质电容器由38%的含水硫酸组成。
这种电解质所提供的导电率最高，并且在整个的使用温度范围内均呈现液体状。
最终图中所示的是RuO2电容的并联电阻。
此电阻代表的是一个可能“不存在”的电容电极泄漏。
由于阳极和阴极电容是串联的，因此，阳极电荷和阴极电荷是相等的，下面是相关的公式：
（2）
（3）
阴极电压不应超过电解质击穿电压。
负电极容量必须要高于最小容量值，重新调整公式（3），得到如下公式：
（4）
通常和负电极相联系的钽混合电容器电位降最大值被设计成0.3V。
二、电容器测量
选择额定电压≥100V的三种钽混合电容器和两种铝电解质电容器，在计算出其等效串联电阻值的基础上，测量其脉冲放电特性和比功率。
电容器参数的测量结果见表1和表2。
THS系列钽混合电容器（见表1和表2）适合的温度范围是-55到+125℃（降压条件下）。
所选定的用于测量的电容器是采用密封钽壳制造的，内含三个并联的阳极块。
阴极做如下描述—氧化钌层和薄钽金属箔连接。
THQ1钽混合电容器也处于密封状态。
其含有一个阳极块。
阴极描述如下。
温度范围和THS系列电容器相同。
BHCALS40A103KF100铝电解质电容器是按苛刻的使用条件设计的。
其是按照通常的铝电解质电容器的传统铝圆筒形结构生产的。
温度范围是-40到+105℃。
这种电容器具有螺丝端子。
NichiconLK铝电容器是为消费电子产品而设计的，其温度范围是-40到+85℃。
其结构一般是嵌入式端子。
有关所测电容器的更进一步信息见表1和表2。
表1电容器参数测量值
（1）
电容器类型
CR
[mF]
UR
[V]
C8Hz
[mF]
质量
[g]
尺寸DxL
SxSxL[mm]
体积
[cm3]
EvansHybrid
THS3125422F
4.2
125
4.43
128
35x35x15
18.4
EvansHybrid
THS3100752
7.5
100
7.37
128
35x35x15
18.4
EvansHybrid
THQ1100192
1.9
100
2.02
47
35x8
7.7
BHC
ALS40A103KF100
10.0
100
8.17
222.4
50x105
206.2
NichiconLK（M）
2.2
100
2.19
22.3
29x30
19.8
注：
CR是额定容量，UR是额定电压（最大电压），C8Hz是8Hz下所测得的容量，DxL=直径x长度，
SxSxL=边长x边长x高度。
表2电容器参数测量值
（2）
电容器类型
能量
[J]
比功率
[J/cm3]
比功率
[J/g]
f-450
[Hz]
f00
[Hz]
EvansHybrid
THS3125422F
32.8
1.8
0.26
969.8
36390
EvansHybrid
THS3100752
37.5
2.04
0.29
706.2
13370
EvansHybrid
THQ1100192
9.5
1.24
0.2
704.4
57820
BHC
ALS40A103KF100
50
0.24
0.22
1194.0
2546
NichiconLK（M）
11
0.56
0.49
1312.0
4642
注：
在额定值基础上计算能量。
f-450是相位角在-450条件下的频率。
F00是谐振频率。
在随后的论述中，有一个针对THS3125422F钽混合电容器所做的EIS（电化学阻抗光谱）特性测量分析的例证。
图2所示的是阻抗和频率的关系图。
Z’是阻抗的实数部分，Z’’是虚数部分。
电容器的自谐振频率表明阻抗最小时（理论上归零）元件的相位角等于00。
对于这种电容器，其自谐振频率大约是36,390Hz。
在更高频率下，元件会出现感应。
因为更低寄生电感的原因，钽混合电容器的自谐振频率相比铝电解质电容器要更高，这可以从表2中看到。
图3是电容量和频率的关系图，图4是相位角和频率的关系图。
理想电容器有-900的相位角。
从图中可以看到，在低于100Hz的情况下，相位角几乎就是理想状态。
阻抗的实数部分和虚数部分有-450的相位角。
从这一相位角考虑其频率大约是970Hz。
和电化学电容器相比较，这一特性频率至少要高出一个数量级。
在如此高的频率下元件是有耗损的。
比起电化学电容器，钽混合电容器特性更接近于电解质电容器。
图2钽混合电容器THS3125422F的电阻和阻抗与频率的关系图
图3钽混合电容器THS3125422F的容量与频率的关系图
图4钽混合电容器THS3125422F的相位角与频率的关系图
三、试验部分—脉冲放电特性测量
图5所示的是测量脉冲放电电流所使用的电路图。
测量是在位于布拉格的电力工程部门的高压试验室中进行的。
测量的目的是发现脉冲放电电流进入低电阻负载，从而确认电容器耐受高电流放电浪涌的能力，尤其是最后确定出电容器的功率，可通过如下公式定义出：
（5）
图5测试电路图
公式（5）中，U0表示用于电容器充电的初始电压，ESR表示电容器的内部串联电阻。
内部串联电阻值可以通过脉冲放电电流大小和放电（外部）电路的阻抗值来确定。
图6中所示的是电容器的脉冲放电简化模型。
图6电容器放电电阻负载的简化模型
内部阻抗值可通过如下公式给定：
（6）
公式中IMAX代表放电电流的最大幅度，RExt代表外部放电电路的电阻。
由于其数值非常小，因此数值是通过四线制方法测量出的。
为测量放电电阻，使用了电子万用表Agilent3458A。
电路的功能说明十分简单。
使用自耦变压器，用于设定所要测量电容器的所需电压值。
AC电压经整流，通过充电电阻施加到所要检测的电容器上。
6个并联连接的470uF/400V铝电解质电容器可以起到平滑电压的作用。
所要测试的电容器电压是通过HP34401A电子万用表测量的。
电源开关是一个230VAC电压控制的三项接线板。
关闭电源开关之后，电容器自身会释放出0.001Ω的感应电阻（比率是1kA/1V）。
这是一个特定的感应电阻，更适合脉冲电流测量（型号CSR3/1000No002）。
此电阻上的电压波形可通过数字示波器LeCroyWave-Runner（型号LT264,DSO）显现出来。
在电容器完全地放电后，电源开关关闭，允许电容器通过充电电阻R再次充电（根据所用电压的大小进行选择）。
重复充放电过程140次，循环时间10到15秒。
测量的结果见表3和表4。
表3脉冲放电电流测试结果
（1）
电容器类型
充电电压
[V]
充电
电阻
[Ω]
放电电路电阻
[Ω]
ESR
[Ω]
浪涌
次数
[-]
平均放电电流幅值
[kA]
最大到达电流[kA]
EvansHybrid
THS3125422F
125
90
0.0113
0.055
147
1.88
2.15
EvansHybrid
THS3100752
100
90
0.0110
0.053
191
1.57
1.93
EvansHybrid
THQ1100192
100
90
0.0113
0.115
181
0.79
0.9
BHC
ALS40A103KF100
100
90
0.0110
0.025
195
2.76
3.71
NichiconLK（M）
100
90
0.0113
0.069
163
1.25
1.54
表4脉冲放电电流测试结果
（2）
电容器类型
匹配
功率1
[kW]
容积
比功率[kW/cm3]
重量
比功率
[kW/g]
平均波峰放电功率[kW]
最大波峰放电功率2
[kW]
EvansHybrid
THS3125422F
71.02
3.86
0.55
235.0
268.8
EvansHybrid
THS3100752
47.17
2.57
0.37
157.0
193.0
EvansHybrid
THQ1100192
21.75
2.83
0.46
79.0
90.0
BHC
ALS40A103KF100
100.0
0.48
0.45
276.0
371.0
NichiconLK（M）
36.23
1.83
1.62
125.0
154.0
注：
1.匹配功率计算基于公式（5）。
2.最大波峰放电功率是放电电流幅值和电容器电压的乘积。
图7高压试验室的工作间
图8对THS系列钽混合电容器进行测试
测量期间元件会轻微地发热，但是没有观察到恶化的过程。
正如表4中所示，钽混合电容器具有更高的容积比功率。
由于内部ESR轻微地变高，因此这些电容器所计算出的匹配功率相比所要比较的铝电解质电容器的匹配功率要低。
这会影响到重量比功率值（kW/g）。
从这一观点可以看出，钽混合电容器比起常规的铝电解质电容器似乎相似或是更低（必须要考虑到钽质量密度比铝的要更高）。
尽管这些电容器的容积效率非常优良。
目前，在中压范围内这些元件具有最高的容积比功率。
图9到图23所示的是测量和到达放电功率（电压和放电电流值的乘积）期间实测浪涌放电电流的数值、分布柱状图。
图9THQ1100192钽混合电容器的放电电流和时间的关系图
图10测量期间THQ1100192钽混合电容器的放电电流分布柱状图
图11THQ1100192钽混合电容器的放电功率和时间的关系图
图12THS3125422F钽混合电容器的放电电流和时间的关系图
图13THS3125422F钽混合电容器的放电电流分布柱状图
图14THS3125422F钽混合电容器的放电功率和时间的关系图
图15THS3100752钽混合电容器的放电电流和时间的关系图
图16THS3100752钽混合电容器的放电电流分布柱状图
图17THS3100752钽混合电容器的放电功率和时间的关系图
图18BHCALS40A103KF100铝电解质电容器的放电电流和时间的关系图
图19BHCALS40A103KF100铝电解质电容器的放电电流分布柱状图
图20BHCALS40A103KF100铝电解质电容器的放电功率和时间的关系图
图21NichiconLK（M）铝电解质电容器的放电电流和时间的关系图
图22NichiconLK（M）铝电解质电容器的放电电流分布柱状图
图23NichiconLK（M）铝电解质电容器的放电功率和时间的关系图
四、结论
钽混合电容器是一种非常有效的元件。
这些电容器是由钽电解质电容器阳极块和电化学RuO2为基础的阴极结合而成。
相比较，电解质电容器阳极的使用有能力达到高工作电压。
另一方面，使用电化学电容器阴极会增加这些元件的容积效率。
尽管钽混合电容器尺寸相当小，但其特性要优于其他类型的电解质电容器。
通过放电特性测量，可以确定出这些元件的内部等效串联电阻。
内部电阻值优于铝电解质电容器。
可以证明在低电阻负载下钽混合电容器具有耐受重复放电的能力。
尽管钽混合电容器的容积比功率要比铝电解质电容器高好多倍。
但是经计算，其匹配的功率值要优于铝电解质电容器。
在中压范围内钽混合电容器具有最高的容积比功率（kW/cm3）。
重量比功率值（kW/g）优于铝电解质电容器。
在有使用要求的条件下，钽混合电容器适合于取代常规电解质电容器，其尺寸小和比功率高决定着优质的产品。
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