防震電(diàn)容器技术

2020-09-17

我们中的许多(duō)人都会看到设备过度振动的影响，从异常磨损和固定松动到组件的实际损坏，不一而足。可(kě)以通过传统方法使机械设备不受干扰，例如使用(yòng)额外的固定装置将组件锁定下来，或者使用(yòng)防振装置故意隔离敏感區(qū)域。但是，在引入電(diàn)子设备时，可(kě)能(néng)会存在成千上万个易于损坏的小(xiǎo)型组件。

如今，車(chē)辆已成為(wèi)冲击和振动相对恶劣的环境的典范，我们在其中包装各种電(diàn)子产品，从大功率電(diàn)动机控制到自动驾驶辅助系统再到信息娱乐。最新(xīn)的驱动系统甚至在轮毂中包括复杂的電(diàn)子设备-在車(chē)辆的“簧下质量”中，机械环境应力最為(wèi)严重。

在車(chē)辆和许多(duō)其他(tā)消费产品中，電(diàn)子产品通常对安全至关重要，因此必须高度可(kě)靠，但同时要尽可(kě)能(néng)降低成本。但是，要获得抗振动损伤的能(néng)力，传统的“过度工程化”航空航天方法是不可(kě)行的，必须找到使大量生产的组件满足相关规格的解决方案。

制定标准

要验证是否已充分(fēn)保护组件免受振动损害，我们必须首先為(wèi)自己设定一个可(kě)接受的标准。这是一项艰巨的任務(wù)，因為(wèi)振动本质上通常是相当随机的，并且会随条件和时间而变化。在某些环境中，例如在工业中，振动影响通常来自旋转的机械，并且可(kě)以在一定程度上量化，但是在其他(tā)领域，例如汽車(chē)，则有(yǒu)来自牵引系统和路面的多(duō)种来源。汽車(chē)原始设备制造商(shāng)在具有(yǒu)标准粗糙表面的测试轨道上具有(yǒu)详尽的测试制度，但是人们期望電(diàn)子子系统及其组件已经过评估，并证明符合某些标准。根据定义，随机振动无法标准化，因此一种常见的技术是应用(yòng)正弦激励，

然后将振动输入设置為(wèi)在这些频率上停留一段时间，以确定是否发生故障。连续的正弦扫频振动激励也是“耐力（通过扫掠来证明）”概念的基础。IEC 60068-2-6：2008是正弦振动测试方法的标准，它还提供了一些建议的测试级别和持续时间。

 

图1：正弦曲線(xiàn)的位移，速度和加速度之间的关系 

振动测试等级

纯正弦振动的强度可(kě)以用(yòng)数學(xué)上相关的三种方式表示：最大振幅或位移，最大速度和最大加速度。图1显示了归一化為(wèi)1Hz的量之间的关系，这是由速度是位移随时间的变化而加速度是速度随时间的变化这一事实得出的。

当正弦波过零并且最大加速度在波形的峰值处时，将出现最大速度。请记住，正弦的微分(fēn)是余弦，即90度相移，进一步的微分(fēn)是90度相移，这有(yǒu)助于形象化。图1中的三个图是等效的，因此任何图都可(kě)以用(yòng)来定义特定频率下的振动强度，并且可(kě)以方便地引用(yòng)恒定量，加速度作為(wèi)规格。但是，对于恒定加速度，位移会随着频率的降低而增加，并且在某点上对于测试设备的维护是不切实际的，因此，常见的规范是要求恒定位移振动达到指定的“交叉”频率，然后恒定加速度从那里到最大频率。

IEC 60068-2-6：2008主要关注术语和方法的定义，但确实提供了一些建议的测试条件。例如，扫描速率被指定為(wèi)指数。一个八度音程，或者每分(fēn)钟频率加倍，公差為(wèi)+/- 10％。该范围内的较低频率应从任意设定值中选择；0.1、1、5、10、55或100Hz，上限频率应从10、20、35、55、100、150、200、300、500、1000、2000或5000 Hz中选择。标准中的表格显示了测试持续时间，典型情况是10Hz至5,000Hz扫描重复100次，耗时约30小(xiǎo)时。高达10Hz时，通常会指定一个恒定的位移幅度，而高于10Hz时，则是一个恒定的加速度。但是，如果在该频率上要求的幅度超出测试设备的能(néng)力，则可(kě)能(néng)需要更高的交叉频率。

IEC 60068-2-6：2008没有(yǒu)规定确切的振动强度水平和许多(duō)扫描周期，但给出了表1中所示的示例，该示例源自标准。交叉频率设置為(wèi)58Hz至62Hz。低于交越频率时使用(yòng)振幅或位移规格，高于时则使用(yòng)加速度。加速度以m / s 2给出，以将“ g”除以10得到一个近似值。 

電(diàn)容器需要免疫振动

在所有(yǒu)常见的電(diàn)子组件中，電(diàn)容器通常最容易受到振动破坏，特别是高值電(diàn)解类型，这种電(diàn)容器可(kě)以高又(yòu)小(xiǎo)，以减小(xiǎo)占地面积。典型的通孔引線(xiàn)型具有(yǒu)相对较差的性能(néng)，通常在10到55Hz的扫频范围内，最大额定值為(wèi)10g或约100m / s2，峰到峰位移為(wèi)1.5mm。尽管这对于非关键的商(shāng)用(yòng)设备是可(kě)以接受的，但其他(tā)应用(yòng)（例如公路車(chē)辆，建筑设备和农业机械）通常需要更高的额定值。

松下已在其FK，FKS，FP，FN，FT，TC，TCU，TP和TQ系列的表面贴装铝電(diàn)解電(diàn)容器范围内以及在其导電(diàn)聚合物(wù)混合材料范围内找到了解决此问题的方法ZA，ZC，ZE，ZK，ZKU和ZS系列的铝電(diàn)解電(diàn)容器。这些系列的零件可(kě)以指定具有(yǒu)高振动能(néng)力，包括更厚的内部连接，与塑料基板的高“壁”以及带有(yǒu)辅助触点的更多(duō)支撑端子。

耐振动类型能(néng)够承受294m / s2（30g）的冲击，并且在5到2000Hz的振动激励下具有(yǒu)5mm的峰到峰位移，从而显着提高了性能(néng)。分(fēn)别在X，Y和Z轴上进行了两个小(xiǎo)时的测试，没有(yǒu)出现故障。这些零件的高振动规范得到了汽車(chē)AEC-Q200兼容性和高耐用(yòng)性的补充，根据系列的不同，通常在105°C时為(wèi)10,000小(xiǎo)时，在125°C时為(wèi)4000小(xiǎo)时，在145°C时為(wèi)2000小(xiǎo)时。

导電(diàn)聚合物(wù)混合铝技术补充了高振动规范

在使用(yòng)高off值的应用(yòng)中，零件的物(wù)理(lǐ)尺寸很(hěn)大，通常会并联很(hěn)多(duō)，因此電(diàn)容器遭受振动损坏的风险最大。例如，逆变器或電(diàn)机控制器中的直流母線(xiàn)连接或大功率AC-DC和DC-DC转换器中的输出滤波器。但是，在这些应用(yòng)中，尤其是在高开关频率下，電(diàn)容值本身通常不是关键参数，只要它高于大容量储能(néng)的最小(xiǎo)值即可(kě)。更重要的是组件的等效串联電(diàn)阻（ESR）和随之产生的纹波電(diàn)流处理(lǐ)能(néng)力。通过電(diàn)容器ESR的高频纹波電(diàn)流会产生纹波電(diàn)压，这通常对转换器性能(néng)至关重要。

 

图2：松下抗振SMD電(diàn)容器的一般结构

 

	每个轴的扫描周期数			应用(yòng)实例
振幅频率	0.35mm或50m / s 2	0.75mm或100m / s 2	1.5mm或200m / s 2
10至55 Hz	10	10		大型工业发電(diàn)厂，重型旋转机械，轧钢厂，大型商(shāng)船和海军舰船。
10至55 Hz	10	10		通用(yòng)陆基和陆路运输，小(xiǎo)型小(xiǎo)型海上航行器（海军或民(mín)用(yòng)）和通用(yòng)飞机使用(yòng)。
10至2000 Hz		10	10	太空发射器（200m / s2）。飞机上的发动机安装组件
55至500 Hz	10	10		适用(yòng)于10Hz至500Hz，但适用(yòng)于小(xiǎo)型刚性部件，在低于55Hz的频率下无共振响应。
55至2000 Hz		10	10	适用(yòng)于10Hz至2000Hz，但适用(yòng)于小(xiǎo)型刚性部件，在低于55Hz的频率下无共振响应。
100至2000 Hz		10	10	应用(yòng)范围為(wèi)55Hz至2000Hz，但适用(yòng)于非常刚性结构的非常小(xiǎo)的组件，例如封装的晶體(tǐ)管，二极管，電(diàn)阻器，電(diàn)容器和集成電(diàn)路

表1：IEC 60068-2-6：2008中的应用(yòng)类别的振动强度和扫描周期数示例

 

	直流母線(xiàn)12V
	径向AI電(diàn)容器	松下Hybrid ZS系列
项目	Φ16 x 25mm 4个2200μF，25V	Φ10 x 16mm3颗560μF，25V
卷	100％（20,000毫米3）	20％（3885毫米3）
总ESR（100kHz，20°C）	3毫欧	2.8毫欧
总纹波等级	11臂	12臂

表3：案例研究，使用(yòng)标准和导電(diàn)聚合物(wù)電(diàn)容器的直流母線(xiàn)应用(yòng)

“标准”電(diàn)解電(diàn)容器可(kě)以具有(yǒu)良好的ESR和纹波電(diàn)流额定值，但是Panasonic导電(diàn)聚合物(wù)混合铝类型可(kě)以為(wèi)较小(xiǎo)的罐尺寸具有(yǒu)更好的额定值，并具有(yǒu)更好的纹波電(diàn)压性能(néng)。例如，在12V直流母線(xiàn)应用(yòng)中，如果规范要求最低1500μF，总ESR為(wèi)3毫欧和11 Arms纹波電(diàn)流，则可(kě)以使用(yòng)四个Φ16mm x 25mm的标准電(diàn)解電(diàn)容器或三个Panasonic ZS系列实现导電(diàn)聚合物(wù)混合型Φ10mm x 16.5mm，體(tǐ)积仅為(wèi)體(tǐ)积的20％，重量仅為(wèi)其一部分(fēn)（图3）。松下的防震功能(néng)以及减小(xiǎo)的高度，體(tǐ)积和重量也大大提高了防震性能(néng)。