薄膜电容四种常见电介质材料对比

由于薄膜电容以下特点,输入滤波电路中经常会用到薄膜电容:

薄膜电容对比其他类型的电容的优势:

  1. 更低的寄生效应,
  2. 在温度和频率上表现出非常稳定
  3. 耐高纹波电流能力
  4. 自修复特性

图 1 薄膜电容结构(图片来源于YageoR46系列数据手册

当有强制性的特殊安全要求时,该特性保证了整个产品工艺链的高可靠性。其他技术虽然也可以制造可靠的电容。但在制造后,如在PCB或设备安装过程中,可能会出现其他问题。此外,薄膜电容器的故障模式是容值下降或开路模式,这使得它们非常适合需要安全和可靠性的场合。

然而,不同电介质材料的薄膜电容的特性,也会有所不同。比较全面

不同介质类型的薄膜电容,其耐温表现以及高频应用下的表现都不一样。了解每种薄膜材料的优缺点,才能更好地找到适合项目的薄膜电容。

薄膜电容四种常见电介质材料对比

薄膜电容,常见的4种电介质材料:

简写 英文名 中文名
PET Polyethylene Terephthalate 聚对苯二甲酸乙二醇酯
PEN Polyethylene Naphthalate 聚萘二甲酸乙二酯
PPS Polyphenylene Sulfide 聚苯硫醚
PP Polypropylene Metallized 金属化聚丙烯

DigiKey 介电材料选择

在 DigiKey 网站,可以根据产品的介电材料来选择合适的薄膜电容


DigiKey薄膜电容(直插封装)

DigiKey薄膜电容(贴片封装)

1. 四种电介质材料特性对比:

材料属性 PP PET PEN PPS
优势 在特定温度频率范围内,高电流、高电压稳定性 高容值密度、高工作温度 高容值密度、高工作温度 非常稳定、精密公差、高工作温度
限制 高温不适合 高频率不适合 高频率不适合 高成本
应用 交直流高功率、脉冲、X&Y EMI抑制 直流和交流低功率、旁路、隔离、耦合与去耦、定时和滤波器 直流低功率、旁路、隔离、耦合与去耦、定时和滤波器 直流低功率、高温、定时,过滤器、振荡电路
(资料来源于KEMET)

2. 四种电介质材料属性数对比:

属性 PP PET PEN PPS
介电常数(1kHz) 2.2 3.3 3 3
商业最小厚度(um) 1.9 0.7 1.4 1.2
DF(%在1kHz时) 0.02 0.45 0.33 0.05
Tcc(Dc/c)-55°C to +125°℃ +1,-3% -5,+12% -2,+3% ±1%
最低温度(°c) -55 -55 -55 -55
典型最高温度(℃) 105 125 125 125
最大延伸温度(c) 125 150 200 20o
介电击穿(v/um) 400 280 300 220
熔化温度(c) 178 254 266 283
回流和多次回流 不适用 245 245-255 260
自恢复 中-低
典型工作电压 V/um 60-220 50-70 5o-70 13-50
最大 DC 电压 2000 1000 250 100

(资料来源于KEMET)

根据这个表格,可能会发现PET或许是电压、温度和介电常数最佳组合的材料。同时PET也是最常见的薄膜电容介电材料,耐高低温,我们也称他们为涤纶电容(Polyester Capacitor)

3. 容值随温度频率的变化

薄膜电容的容值受温度的影响。根据用作电介质的塑料膜的类型,容值得变化率会有所不同。

使用PPS,容值几乎不会发生变化。

对于PET,这种变化的特征是正温度系数,

而对于PP,则是负温度系数。

图 3 不同材料薄膜电容,容值随温度频率变化 (图片来源于TDK)

也有复合电容器使用具有相反热系数的材料组合来稳定电容。电容也会根据频率而变化,如下图所示。PPS的一个特点是它的热特性和频率特性都很好。

4. tanδ随温度频率的变化

tanδ反应的是电容电介质内单位体积中能量损耗的大小,tanδ越小,说明薄膜电容的品质越好。

如何计算是 tanδ

电容等效串联电阻(ESR)是一个很重要的参数, 我们可以通过物料损耗角(δ)的相关信息来计算ESR值。

电容的总复阻抗在实-复数平面上表示为实数分量(ESR)和复数(无功)分量的矢量和,用以表示“理想”电容(ESR等元素在所有实际分量中均混合使用)。总阻抗与其复数分量之间的角称为“损耗角” (即tanδ ),该数值用于概括电容总阻抗的理想和非理想分量之间的比值。

根据tanδ,我们可以通过下面公式计算出计算电容 ESR。

ESR = tanδ / 2πfC

更多内容参考: 通过 tan δ 计算电容ESR

tanδ 随温度频率的变化

tanδ 倾向于随着频率增加而增加, 但随着温度增加对于PP材质薄膜电容最不明显。

图 4不同材料薄膜电容,tanδ 随温度频率变化 (图片来源于TDK)

因此,PP 材质薄膜电容适用于大电流应用。

小贴士:薄膜电容使用时的注意事项-额定电压

额定电压即恒定基础上施加到电容器的最大电压。额定电压可用于直流和交流。对于薄膜电容,直流和交流额定电压通常在几十到几百伏的范围内。用于电力系统的高压类型的交流电压额定值可以到几千伏或更高。

交流额定值是假定仅用于处理交流电流的电路中的电容电压。当用于交流时,如果施加的电压超过一定水平,则会发生电晕放电。持续电晕放电可能导致绝缘击穿。由于额定电压有随温度升高而下降的趋势,因此必须选择具有余量的电容。

我们以R74系列举例:


R74数据手册中,我们可以看到,当温度超过85度时,额定电压每升一度,建议降低1.25%

高频电流或纹波电流会导致薄膜电容的自发热。通常温升可能会保持在5至10°C之间,但必须注意环境温度加上自加热温度不得超过电容器的使用范围。

最后总结一下:

介质材料 特性总结
PET 最常见的薄膜电容器。耐高温和低温,成本低。
PEN 高容值密度,高工作温度。
PPS 良好的耐热性和热特性,但价格较高。
PP 高绝缘电阻,低tanδ(损耗),适用于高电流,但耐热性稍低。

多年来,薄膜电容一直用作EMI滤波器中的X和Y 电容,并大量应用在工业和消费者应用中。了解不同材料薄膜电容特性,有助于更快地找到合适的薄膜电容。

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感谢得捷电子的分享,这个话题总结的太好了。