创新结构提高高压膜箔式电容器过电流能力

【摘要】老结构膜箔式电容器承受dv/dt（电压爬升及释放速率）的能力存在不足，不适应现代工业、医疗、军事等电力电子装备的发展。通过改进或创新结构的方法，使产品承受dv/dt的能力提升幅度可达20～50%。

【关键词】膜箔式电容器；电压；电流；dv/dt；功率；频率特性

1.前言

随着现代工业、医疗、军事等电力电子装备的发展，对电容器的耐压、dv/dt、功率、频率特性、安全性和经济性等的要求越来越高.例如激光焊接、核磁共振、破甲电磁炮等装备的发展对电容器性能均提出了更高的要求。怎样才能使我们设计和制造的电容器达到或超过客户的期望？这是本文要探讨的问题，但重点是探讨如何提升电容器的dv/dt和无功功率能力。因为这些项目是我国电容器行业“十二五”规划开发的重点。

2.提升电容器dv/dt和功率能力的必要性

据有关资料报道，高科技电磁炮的穿甲能力（厚度）由下列公式（1）确定；电磁炮的发射速度由下列公式（2）确定：

式中：

：电容器在电场变化时承载或释放的电流

：电容量

：电容器端电压的变化率或电容器端电压对时间的导函数

由公式（3）和公式（2）可知电容器的dv/dt能力与电磁炮弹丸的发射速度相关。

3.高压和高dv/dt性能电容器的选取

电容器的型号规格繁多，成千上万，但按介质划分可以简化为五大类：

①有机介质电容器；

②无机介质电容器；

③电解电容器；

④气体电容器；

⑤双电层电容器。

在众多电容器中，可以或可能达到高压和高dv/dt性能需求又符合安全性和经济性等特点的电容器并不多。据报道：在一些高功率脉冲电源上曾发生过因电容器选用不当或承受耐压、dv/dt和功率能力不足而引发电源爆炸的事故。由此可知正确选用电容器是大功率整机安全和可靠设计的重要基础。目前可以或可能达到高压、高dv/dt并符合安全和高可靠要求的电容器主要有：高压聚丙烯介质电容器、聚苯乙烯介质电容器、聚苯硫醚介质电容器、聚四氟乙烯介质电容器、云母介质电容器等。在这5种电容器中，性价比最高的电容器应当数无感高压膜箔式聚丙烯电容器。其理由如下：

①高压膜箔式聚丙烯电容器具有耐压高、绝缘电阻高、损耗小、工艺性好和价格合理等综合优点，上列5种介质电容器的性价比详见表1。

②从生产实际和验证上看，高压膜箔式聚丙烯电容器的dv/dt能力可达54000V/μs，介质击穿场强≥280V/μm，单只电容器额定工作电压可≥2000Vdc，经过内串和外串组合，额定工作电压可以高达数万伏，绝缘电阻可达10×104MΩ，绝缘时间常数可达30×104MΩ·μF，这些指标可谓电容器之冠。

③介质损耗小，频率特性好，适合各种高、中、低频率脉冲电路和交流电路使用。

④无感高压膜箔式聚丙烯电容器介质吸收系数小，等效串联电阻和电感小，产品充放电速度快，提供瞬时特大功率的能力强。

⑤聚丙烯介质供应渠道广阔。

4.无感内2串高压膜箔式聚丙烯电容器存在的主要缺陷

目前，无感内2串高压膜箔式聚丙烯电容器存在的主要缺陷是：

①工作温度偏低（≤125℃），当产品使用环境温度在85～125℃之间，为保证电容器工作的可靠性和安全性，应以85℃为基准，环境温度每升高1℃，电容器的额定工作电压应降低1.25%；

②介电常数偏小（2.1～2.2），产品体积较大。

5.当前无感内2串膜箔式电容器结构上的不足和改进方法

众所周知，石墨和金刚石是同素异性体。石墨软如泥聚，金刚石坚硬无比，它们虽然是同种元素构成，但因结构不同，其性能差别甚大。用同种介质制作成不同结构的电容器，同样也有性能差别很大的特点。下面就不同结构内2串无感膜箔式电容器的性能作比较分析。

现有内2串无感膜箔式电容器的一般结构如图1，又简称老结构。

老结构电容器的不足之处是不同极性的两铝箔之间存在较大的空隙，如图1所示。这个空隙使电容器承载大功率充电的dv/dt能力显著下降，电容器的性能不能充分发挥和利用，严重时甚至引发产品爆裂失效和设备事故。目前，电容器制造厂家消除或减小这个空隙的主要措施是：将芯子放入专用设备中抽真空后再浸渍液态环氧或其它绝缘材料来填充空隙。因为老结构电容器芯子为压扁型，中间部位空隙大，两侧部位层间接触比较紧密，液态环氧分子粒度偏大等，浸渍料很难渗入芯子内部，欲用真空浸渍环氧来填充空隙的方法远远不能达到期望的程度。

老结构电容器在充电时发生爆裂失效的机理如下：由于两极板间空隙部位的绝缘性能比介质低，当充电电荷的动能或dv/dt值未超过它的承受能力时电容器的电流流向如图1.1所示，此时，电容器工作处于正常状态；当充电电荷的动能过大或dv/dt值过高或超过空隙部位的承受能力等，电容器的电流流向如图1.2所示，此时，电容器充电电荷沿空隙部位的表面产生飞弧放电，产生巨大的瞬时短路功率而导致电容器爆裂或爆炸。

证明老结构电容器爆裂或爆炸是由空隙部位表面飞弧放电引起的简单方法是对电容器做高的dv/dt充放电试验。试验要点是：先用一部份电容器，进行逐只、逐步提高承受dv/dt值的摸底试验，找到电容器爆炸的临界点，再用略大于临界点的dv/dt值对另一部份电容器进行试验，解剖爆裂或爆炸的电容器，可以观察到电容器的介质并未发生垂直于电场方向的击穿，而在空隙部位表面却有飞弧放电的明显痕迹，这就是高速电荷沿空隙部位表面飞弧放电引起电容器爆裂或爆炸的证据。

改善老结构电容器空隙部位表面飞弧放电的主要方法有：①变内浸环氧为内浸高性能绝缘油，如单苄基和二苄基甲苯、全氟化碳等；②变内浸环氧为加充氮气或不活泼气体；③增大两极间的爬电距离；④改变芯子结构，如图2-1（又称新结构图2-1）、图2-2（又称新结构图2-2）等。本文重点探讨图2-1、图2-2创新结构产品。

比较上述4类改善方法，我们分析、验证认为第④类即改变芯子结构的方法最优；在第④类方法中，图2-2的方法最佳.其理由如下：

第①和第②类方法的不足之处是产品制造时需对电容器实行全密封，否则不能保持和保证改善效果，前功尽弃。但这样会增加工艺的复杂性和产品成本。因为这类改进采用了液态物或气态物和全密封结构，若有不测，产品发生爆炸的威力和破坏性比图1老结构产品要大得多；

第③类方法的不足之处是要增大产品尺寸，不利于产品小型化。这种方法虽然能提高产品承受低频dv/dt的能力，但因未能消除“直通”气隙，内部残留空气会在高压或高频条件下仍会发生电离，产品承受高频dv/dt的能力改善不多；

第④类方法——改变芯子结构，能克服第①～第③类方法的不足，经验证明图2-1、图2-2新结构产品可以使产品承受dv/dt的能力分别比图1的老结构产品提高10～30%和20～50%。新结构产品承受dv/dt的能力显著提高，主要原因是堵断了内部（不同极性的）两电极之间的放电通道（如图3），使内2串无感膜箔式电容器承受dv/dt的能力得到了充分发挥和利用。

新结构产品图2-1与图2-2的等效电路结构图分别见图4和图5，从表面上看，它们的电路似乎全等，如果将图2-1、图2-2、图3与图4和图5结合起来分析，就会发现图2-1新结构产品与图2-2新结构产品有明显区别，并且图2-1新结构产品的性能不如图2-2的好。

图2-1新结构产品的主要缺陷有3点（与图2-2相比）：①芯子C1相对于C2的介质厚度太大；②芯子C1相对于C2的电容量太小；③因为①、②两个缺陷存在C2比C1承受耐压和dv/dt的能力要小很多；由于组合电容器承受负荷的最大能力是由最差的（相对）单芯个体性能决定，所以当C2失效后将导致组合电容器整体发生崩溃性失效。而图2-2新结构产品弥补了图2-1新结构产品的不足，相对图2-1而言，图2-2组合电容器的4个电容器单芯使用的介质厚度和形成的电容量是一致的，这是图2-2新结构产品为啥比图2-1新结构产品性能好的主要原因。

6.图2-2新结构产品性能验证情况

图2-2新结构产品性能验证情况如图6、图7。

由图6可知CBB82-2000Vdc-0.0027μF新结构产品在额定电压下，承载瞬时最大充电电流可达2000A，承受瞬时最大充电dv/dt可达730KV/μs，承受瞬时最大充电功率可达980KW。

由图7可知CBB82-2000Vdc-0.0027μF新结构产品在额定电压下，承载瞬时最大放电电流可达2000A，承受瞬时最大放电dv/dt可达730KV/μs，承受瞬时最大放电功率可达3940KW。

由图6和图7及上述数据比较，可以看出：当电容器充放电电路的等效串联电阻一定时，电容器放电的瞬时最大功率比充电时的瞬时最大功率可大数倍。利用电容器的这一放电特性，特别有利于提高穿甲电磁炮的作战威力和适合需要产生瞬时特大功率的电子装备提升工作能力。

电容器充放电时电压、电流、、功率任意时刻的瞬时值或最大值也可以用下列公式进行理论计算：

6.1 被试电容器充电时任意时刻电压的瞬时值

：电容器放电时任意时刻的瞬时功率，单位（W）

注：①负号表示电容器放电输出功率（或释放能量）。

②其余符号的意义和单位同于公式（6）。

目前我们试制的新结构产品承受电流、dv/dt、瞬时功率等特性参数均大大超过了当今国际同行名牌厂家公开的技术指标，在国际上处于领先水平。这是我国改进和创新电容器结构取得的显著成果。

7.结束语

产品结构改进和创新，往往可以起到“四两拨千斤”的作用。通过本文抛砖引玉的交流，希望能够促进国内同行在电容器结构改进和创新方面取得更大突破、取得更多令国际瞩目的成果。

参考文献

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