铌电容器

铌电电容器（历史上也称为铌电容器）是一种电解电容器，其阳极（+）由钝化的金属铌或一氧化铌制成，其上的绝缘五氧化二铌层作为电介质。氧化层表面的固体电解质充当电容器的阴极(-)。铌电容器采用SMD封装，在某些电压和电容额定值方面可与钽片式电容器竞争。它们可与固体二氧化锰电解质一起使用。和大多数电解电容一样，铌电容也是有极性的元件。高于规定容差的反向电压或纹波电流会损坏电介质，从而损坏电容器；由此产生的短路可能会导致较大设备发生火灾或爆炸。铌电容器是在1960年代在美国和苏联开发的。自2002年以来，它们已在西方商业化，利用铌相对于钽的成本更低和更好的可用性。

铌是钽的姊妹金属。铌的熔点(2744°C)与钽相似，化学性质也相似。用于生产铌介电电容器的材料和工艺与现有的钽介电电容器基本相同。然而，作为原料的铌在自然界中比钽丰富得多，而且价格便宜。铌电解电容器和钽电解电容器的特性大致相当。铌电解电容器可以用高纯度的铌作为阳极，但氧从电介质（Nb2O5）扩散到铌阳极金属中非常高，导致漏电流不稳定甚至电容器故障。有两种可能的方法来减少氧扩散和提高漏电流稳定性——将金属铌粉末与氮化物掺杂到钝化的氮化铌中，或者使用氧化铌(NbO)作为阳极材料。氧化铌是一种具有高金属导电性的硬质陶瓷材料。氧化铌粉末可以制备成与钽粉类似的结构，并且可以以类似的方式加工以生产电容器。也可以通过阳极氧化（anodizing,forming）产生绝缘介电层。因此，市场上有两种铌电解电容器，一种是使用钝化的铌阳极，另一种是使用氧化铌阳极。两种类型都使用五氧化二铌(Nb2O5)作为介电层。

铌与钽和铝类似，是一种所谓的阀金属。将这种金属与电解槽接触并对其施加正电压会形成一层电绝缘氧化物，其厚度对应于所施加的电压。该氧化层充当电解电容器中的电介质。铌的这一特性自20世纪初就为人所知。虽然铌在自然界中含量更丰富，价格也比钽便宜，但其2744℃的高熔点阻碍了铌电解电容器的发展。在1960年代，与钽矿相比，铌矿的可用性更高，促使苏联对铌电解电容器进行了研究。在这里，它们的用途与西方的钽电容器相同。随着铁幕的倒塌，这项技术在西方变得更加知名，主要电容器制造商在1990年代后期开始产生兴趣。用于生产铌电容器的材料和工艺与钽电容器基本相同。2000年和2001年钽价格的上涨鼓励了使用二氧化锰和聚合物电解质的铌电解电容器的发展，这些电容器自2002年以来就已上市。每个电解电容器都可以被认为是一个平板电容器，其电容随着电极面积（A）和介电常数（ε）的增加而增加，随着电介质厚度（d）的增加而减小。铌电解电容器的介质厚度很薄，在每伏特纳米的范围内。这种非常薄的介电层与足够高的介电强度相结合，使铌电解电容器能够实现与钽电容器相媲美的高体积电容。铌阳极材料由烧结成颗粒的粉末制成，该颗粒具有粗糙的表面结构，与具有相同占地面积的光滑表面相比，旨在增加电极表面积A。对于固态铌电解电容器，这种表面积的增加可以将电容增加多达200倍，具体取决于额定电压。五氧化二铌介电层与五氧化二钽层相比的性能如下表所示：相对于五氧化钽，五氧化二铌的较高介电常数和较低击穿电压导致铌电容器和钽电容器对于给定电容具有相似的尺寸。

• 固态铌片式电容器的构造
• 铌电解电容器的电容器单元由烧结铌或一氧化铌粉末组成
• 具有固体电解质和阴极接触层的烧结铌电解电容器的结构示意图
• 典型的固体电解质贴片铌电解片式电容器的构造

典型的铌电容器是片式电容器，由铌或氧化铌粉末压制烧结成小球作为电容器的阳极，以[[五氧化二铌]]的氧化层为电介质，以固体二氧化锰电解液为电介质组成。阴极。

铌钽电解电容器的阳极材料与所用电解液的组合形成了种类繁多、性能各异的电容器类型。下表列出了不同类型的主要特征。钽铌电解电容器采用固体电解质作为表面贴装芯片电容器，主要用于空间狭小或要求薄型化的电子设备。它们在很宽的温度范围内可靠地运行，没有大的参数偏差。

为了比较不同类型电解片式电容器的不同特性，下表对尺寸相同、容量和电压相当的样品进行了比较。在这样的比较中，ESR和纹波电流负载的值是现代电子设备中使用电解电容器的最重要参数。ESR越低，单位体积的纹波电流就越高，因此电路中电容器的功能就越好。(1)100μF/10V，除非另有说明，(2)针对电容器100μF/10V计算得出，

1875年，法国研究员EugèneDucretet发现了这种现象，这种现象可以在铝和钽或铌等金属上以电化学方式形成氧化层，阻止电流向一个方向流动，但允许电流向另一个方向流动。他为这种金属创造了阀门金属一词。查尔斯·波拉克（原名卡罗尔·波拉克）利用这种现象提出了一种带有铝电极的极化液体电容器的想法。1896年，波拉克获得了xxx个电解电容器的专利。固体电解质钽电容器的开发始于1950年代初期，作为一种小型化、更可靠的低压支持电容器，以补充新发明的晶体管。贝尔实验室的RLTaylor和HEHaring发现的解决方案是基于陶瓷方面的经验。他们将钽研磨成粉末，将粉末压制成圆柱形，然后在真空条件下，在1500至2000°C的高温下将粉末颗粒烧结成颗粒（块状）。这些xxx批烧结钽电容器使用了与固态电子学概念不一致的非固态电解质。1952年，DAMcLean和FSPower在贝尔实验室对固体电解质进行了有针对性的研究，最终发明了二氧化锰作为烧结钽电容器的固体电解质。

铌电解电容器作为分立元件并不是理想的电容器，它们有损耗和寄生电感部分。所有属性都可以通过由理想化电容和附加电气元件组成的串联等效电路来定义和指定，该电路模拟电容器的所有损耗和电感参数。在这个串联等效电路中，电气特性定义为：

• C、电容器的电容量
• Rleakage，电阻代表电容的漏电流
• RESR，等效串联电阻，概括了电容器的所有欧姆损耗，通常缩写为ESR
• LESL，等效串联电感，即电容器的有效自感，通常缩写为ESL。

IEC/EN60384-1规定使用串联等效电路代替并联等效电路。

铌电解电容器的电气特性取决于阳极的结构和电解液的类型。电容器的电容值取决于测量频率和温度。额定电容值或标称值在制造商的数据表中指定，符号为CRCN。电解电容器的标准化测量条件是频率为100/120Hz的交流测量方法。交流测量电压不得超过0.5VAC-RMS。被测电容与额定值的允许偏差百分比称为电容容差。电解电容器有不同的公差系列，其值在IEC60063中指定的E系列中指定。对于狭小空间中的缩写标记，每个公差的字母代码在IEC60062中指定。

• 额定电容，E3系列，公差±20%，字母代码M
• 额定电容，E6系列，公差±20%，字母代码M
• 额定电容，E12系列，公差±10%，字母代码K

参照IEC/EN60384-1标准，铌电容器的允许工作电压称为额定电压UR或标称电压UN。额定电压UR是在额定温度范围TR(IEC/EN60384-1)内的任何温度下可连续施加的xxx直流电压或峰值脉冲电压。电解电容器的耐压性随着温度的升高而降低。对于某些应用，使用更高的温度范围很重要。降低在较高温度下施加的电压可保持安全裕度。因此，对于某些电容器类型，IEC标准规定了针对较高温度的温度降额电压，即类别电压UC。类别电压是在类别温度范围TC内的任何温度下可以连续施加到电容器的xxx直流电压或峰值脉冲电压。右图（或上图，在移动设备上）给出了电压和温度之间的关系。施加的较低电压可能对钽（和铌）电解电容器产生积极影响。降低施加的电压会提高可靠性并降低预期的故障率。施加高于规定的电压可能会损坏电解电容器。

浪涌电压表示电解电容器在有限循环次数内可施加的xxx峰值电压值。浪涌电压在IEC/EN60384-1中进行了标准化。铌电解电容器的浪涌电压不高于额定电压的1.3倍，四舍五入至最接近的伏特。施加在铌电容器上的浪涌电压可能会影响电容器的故障率。

与其他电解电容器一样，铌电解电容器是极化的，要求阳极电压相对于阴极电压为正。

有关阻抗、ESR、损耗因数tanδ、纹波电流和漏电流的一般信息，请参见电解电容器

有关可靠性和故障率的一般信息，请参阅电解电容器。电解电容的寿命、使用寿命、负载寿命或使用寿命是非固态电解电容，尤其是非固态铝电解电容的一个特殊特性。它们的液体电解质会随着时间的推移而蒸发，导致磨损故障。采用二氧化锰电解液的固态铌电容器没有磨损机制，因此恒定的故障率会持续到所有电容器都发生故障的程度。它们没有像非固态铝电解电容器那样的使用寿命规格。然而，固态聚合物铌电解电容器确实有使用寿命规格。电解质由于导电聚合物的热降解机制而劣化。电导率随时间降低，与颗粒结构一致，其中老化是由于导电聚合物颗粒的收缩。聚合物电解电容器的使用寿命与非固态电容类似，但其使用寿命计算遵循其他规则，从而导致更长的使用寿命。

不同类型的电解电容器在长期稳定性、固有故障模式及其自愈机制方面表现出不同的行为。规定了具有固有故障模式的类型的应用规则，以确保电容器的高可靠性和长寿命。固体电解电容器中罕见的故障是由故障或杂质引起的电介质击穿。在铌电解电容器中，电介质是五氧化二铌(Nb2O5)。除了这种五氧化二氮之外，还有一种低氧化铌，即二氧化铌(NbO2)。NbO2是一种半导体材料，其电导率高于Nb2O5，但远低于短路。在引起部分电介质击穿的电介质中的故障或杂质的情况下，如果能量有限，将通过将Nb2O5还原成高欧姆NbO2来有效地隔离导电通道。随着更多能量施加到有缺陷的固态铌上，最终高欧姆NbO2通道或Nb2O5电介质会损坏，电容器会出现热失控故障。与固态钽电容器相比，铌阳极的热失控发生的功率大约是钽阳极的三倍。与固态钽电容器相比，这可显着减少(95%)点火故障模式。固态铌电解电容器的介电层Nb2O5具有比钽电容器中的Ta2O5更低的击穿电压，因此每施加伏特会变厚，因此对于给定的额定电压，在较低的场强下工作，电介质的电应力较低。与氧化铌阳极结合使用，与钝化的铌或钽阳极相比，氧化铌对氧扩散更稳定，从而导致电压降额规则更低。

电解电容符号

铌电容器通常是极化元件，具有明显标记的正极端子。当极性反转时（即使是短暂的），电容器会去极化，介电氧化层会破裂，即使以后以正确的极性操作也会导致电容器失效。如果故障是短路（最常见的情况），并且电流不限于安全值，则可能会发生灾难性的热失控。

所有电气、电子元件和相关技术的标准化都遵循国际电工委员会(IEC)制定的规则，该委员会是一个非盈利、非政府的国际标准组织。

通用规范中规定了电子设备用电容器的特性定义和试验方法的程序：

• IEC60384-1，用于电子设备的固定电容器-第1部分：通用规范

直到现在（2014年），还没有适用于铌电解电容器的IEC详细规范。对于美国的电子制造商，EIA发布了铌和钽片式电容器的标准：

• EIA-717-A表面贴装铌钽电容器认证规范

• 铌电容器可替代钽电容器
• 铌电容器以SMD形式提供，使其适用于所有扁平设计的便携式电子系统
• 铌电容器没有浪涌电流限制
• 铌电容器可提供固体电解质，适用于低ESR应用和稳定的电气参数
• 铌电容器的制造商数量有限（AVX和Vishay）