介電材料表現各異　薄膜電容選擇有撇步

2024-04-25

Alan Yang

不同介電材料的薄膜電容，其特性也會有所不同。瞭解每種薄膜材料的優缺點，以及材料在溫度和頻率變化下的性能表現，有助於找到適合的薄膜電容。

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由於薄膜電容(Film Capacitor)的特點，輸入濾波電路中經常使用薄膜電容(圖1)。相較於其他類型的電容，薄膜電容的優勢包括：更低的寄生效應、在溫度和頻率上具備穩定性、耐高漣波電流能力，以及自修復特性。

面對強制性的特殊安全要求時，該特性保證了整個產品製造鏈的高可靠性。其他技術雖然也可以製造可靠的電容，但在製造後，如在PCB或裝置安裝過程中，可能會出現其他問題。此外，薄膜電容器的故障模式是容值下降或開路模式，因此適合要求高安全性和高可靠性的場合。

不同介電材料的薄膜電容，其特性也會有所不同。比較全面不同介質類型的薄膜電容，其耐溫表現以及高頻應用下的表現都不一樣。瞭解每種薄膜材料的優缺點，有助於找到更適合的薄膜電容。

薄膜電容四種常見介電材料

薄膜電容常見的四種介電材料如表1所示。在DigiKey網站，可以根據產品的介電材料來選擇合適的薄膜電容(圖2)。

表2和表3分別為四種介電材料的特性，以及各項數值。

根據表格，可能會發現PET或許是電壓、溫度和介電常數組合表現最佳的材料。同時，PET也是最常見的薄膜電容介電材料，耐高低溫，我們也稱其為聚酯電容(Polyester Capacitor)。

容值/tanδ隨溫度/頻率而變化

薄膜電容的容值會受到溫度影響。根據用作介電質的塑膠膜的類型，容值的變化率有所不同：使用PPS，容值幾乎不會發生變化；對於PET，這種變化的特徵是正溫度係數；對於PP，則是負溫度係數。也有複合電容器使用具有相反熱係數的材料組合來穩定電容。電容同樣會根據頻率而變化，如圖3所示。PPS的特點之一，便是具有良好的熱特性和頻率特性。

tanδ反映的是電容介電質內單位體積中能量損耗的大小，tanδ越小，說明薄膜電容的品質越好。電容等效串聯電阻(ESR)是十分重要的參數，可以透過物料損耗角(δ)的相關資訊來計算ESR值。電容的總複阻抗在實-複數平面上表示為實數分量(ESR)和複數(無功)分量的向量和，用以表示「理想」電容(ESR等元素在所有實際分量中均混合使用)。總阻抗與其複數分量之間的角稱為「損耗角(即tanδ)」，該數值用於概括電容總阻抗的理想和非理想分量之間的比值(圖4)。

根據tanδ，我們可以透過以下公式計算出電容的ESR。

針對頻率變化，tanδ傾向於隨著頻率增加而增加；針對溫度變化，PP材質薄膜電容隨著溫度而增加的幅度最不明顯(圖5)，因此，PP材質薄膜電容適用於大電流應用。

圖5　採用不同材料的薄膜電容，其tanδ隨溫度及頻率而變化　(圖片來源：TDK)

使用薄膜電容須注意額定電壓

額定電壓即為恆定基礎上施加到電容器的最大電壓。額定電壓可用於直流和交流電，對於薄膜電容，直流和交流額定電壓通常在幾十到幾百伏特的範圍內。用於電力系統的高壓類型，其交流電壓額定值可以到幾千伏特或更高。

交流額定值是假定僅用於處理交流電流電路中的電容電壓。用於交流電時，如果施加的電壓超過一定水準，將發生電暈放電，而持續電暈放電可能導致絕緣擊穿。由於額定電壓有隨溫度升高而下降的趨勢，因此必須選擇具有餘量的電容。以R74系列為例(圖6)，在其規格手冊中可以看到，當溫度超過85度時，每升高一度，額定電壓降低1.25%。