薄膜电容器喷金层作用,容器大小 -凯发k8娱乐

分布电容 电容从广义上来讲, 任何两个导体之间都可以看作是电容. 只不过中间的介电介质各不相同. 如人体和大地之间都可以看作是一个电容: 人体是导体, 大地更是导体, 之间的空气, 鞋子可以看作是介电介质. 任何两根靠近的导线, 如 电源线里的两根电线, 电阻的两个引脚 等等 都是电容. 但是这些电容, 跟我们生产的有明确作用用途的电容, c1, c2, c3...等是不同的, 它是 "寄生"在导线之间的, 所以这些电容, 在电工技术中, 叫做寄生电容, 杂散电容, 分布电容. 同理的, 也有 寄生电感, 分布电感, 如变压器里的 线圈和线圈之间的绝缘的匝数 之间就会形成寄生电感. 这些都叫 "寄生参数". 一般寄生参数对低频的电信号的阻碍, 影响作用比较小, 可以忽略不计. 但是对高频信号就不能忽略了, 因为对于高频信号, 它们产生的寄生参数就比较大, 而且对于大规模集成电路, 由于印刷线比较多,而且密集, 相互间靠的很近,所以主要影响芯片朝更大规模集成的\影响芯片性能和稳定的就是这些寄生电容和寄生电感..在一切电子电路中, 不管是多么复杂的, 集成度多高, 都是由四种原件组成的, 即电阻, 电感, 电容, pn结(包括二极管,三极管,场管等)...交流电的有效值和平均值? 交流电是瞬时值, 其平均值跟一切变化信号的平均值的概念是一样的.都是 按照 "微分和积分"的方法来计算的. 设信号di=f(t)dt. 则在0~t时间内的平均值就是: avg(i) = ∫0,tf(t)dt/t 由于正弦交流电的正负半周期的方向相反, 所以曲线与时间轴之间的代数面积和为0, 因此在一个周期内, 交流电 电流 的平均值为0. 所以通常都是以半个周期内交流电电流的平均值来说的, 为0.637倍交流电电流的峰值. 从另一个角度来理解交流电的平均值也是可以的: 所谓平均值是指在一段时间t内, 通过导线横截面的电量的总和: i=dq/dt. 一个周期内, dq=0...交流电的有效值, 是以交流电的热效应来说的. 由于交流电是随时都在发生改变的, 你要考虑交流电的大小和作用, 到底是依据哪个时刻的大小为依据呢? 没办法? 所以, 就以一段时间内, 交流电和直流电做同样效果的热效应来比对, 即使用交流电的 有效值来 考察交流电.(交流电的有效值是最大值的0.707倍最大值).交流电研究时, 是考虑瞬时值,还是 有效值? 通常来说, 如果要研究, 推理, 论证, 推导时, 通常采用瞬时值. 但是, 如果要在使用中, 进行计算, 选择元件的时候, 通常采用有效值.交流电的欧姆定律 交流电, 不管是瞬时值还是有效值,都是 满足 欧姆定律的, 所不同的是, 其中的 电阻就不能使用 纯电阻了, 要使用 电抗 z . 而且计算的时候, 要使用 电抗的绝对值 |z|.在研究交流电的时候, 要从思想方法上, 做一个转变, 即不能再以纯代数, 的方法来看待交流电, 要用 矢量, 向量的思想方法来看待 思考交流电, 即电路中的 电抗 要分成 纯阻性的电阻r, 电容的容抗xc, 电感的感抗 xl. 通常以电压的有效值的方向为 电阻, 电流的参考方向, 于是整个电路的阻抗就是: |z| =根号下(r2 (xc-xl)2) 同样的电流也是这样的 符合 勾股定律的计算值. 这里都是针对正弦交流电而言的.

交流电的欧姆定律中, 可以使用峰值和有效值, 但通常使用 有效值来进行计算.

在写markdown的时候, 为什么不考虑数字编号的顺序?

其实,这个是有科学依据的, 因为,在实际输入中, 有时候会在项目符号的中间, 临时要再插入一些编号, 或者需要改变一些编号, 而且这种情况还是比较多见的 所以, md为了方便用户的需要, 而不必强行要求编号的数字必须是紧挨着的. 不像word那样的... 所以, 今后在输入 列表的时候, 统一的将列表序号都写成 1. 就好了.

什么叫市制和公制 市制就是市场上使用的,是老百姓使用的, 如市斤, 市尺. 公制, 就是国际通常使用的, 如: 公斤, 公尺. 所以 1公尺 = 1 米 = 3 市尺 = 3尺.

电容的大小: 电容的单位用 法:(即f, 就是farad, 法拉第). 他是一个很大的单位, 一个球体的电容要达到 1f , 需要这个球体的半径 9*10e9米.

指数: ex'ponent 美 [?k'spo?n?nt] -> exponential -> exponentially (increase exponentially) -> 所以简写为 exp, e, 等等.注意这个仅仅只是表示指数, 具体的底数是多少, 如是10, 还是2,等等要你自己写出来如, 8*2e3...

chevron: 雪佛龙, 美国标准石油... 全球五百强企业第五位.在阿拉伯的分公司叫阿拉伯美国石油公司, 简称阿美公司.后来因为反托拉斯法案被分裂成几个公司, 其中主体就叫chevron石油公司. 现在在中国的是和德州的加德士一起的生产的金福利机油. 欧美的资本主义推行的是自由资本主义, 国家是反对垄断资本主义的, 包括cartel, 辛迪加, 托拉斯等形式的垄断公司. 托拉斯叫trust即资本信托. antitrust law反托拉斯法案就是为了避免垄断带来的抬高价格, 垄断市场和原料, 谋取暴利...

chevron: 还有一个意思是: 燕尾, 燕尾形状. 即各种方向的 > 符号, ^等. 在bootstrap中的图标glyghicon-chevron-right/left/up/down就是各种燕尾形状...

chevrolet: sevr2'le

在电路中为什么多采用调节电容的方式来调节电路?

因为电容的调节相对来说, 更容易调节, 更容易实现. 电容可以将多片极板用 铜螺钉连接起来, 形成 "定片", 然后用螺钉将多个极片连接起来形成 "动片", 于是, 通过调节动片, 来调节电容极片间的相对面积, 从而实现电容的调节.

电容调节的目的, 通常,(绝大多数)都是 跟 电感l相"串联""并联", 以便形成调谐回路, 起振, 从而实现电路的(选频.震荡)等目的.

电容有插件式(也叫插脚式), 还有贴片式电容元件, 贴片式元件也叫smt, smd(surface mounted device). mount: 安装, 嵌入, 镶嵌的意思, 做名词,是"底座"的意思. 不管是电视机,还是电脑主板上的焊接, 都不是人工焊接的, 都是机器自动焊接的. 电路板焊接的方式有两种, 一种是波峰焊, 一种是回流焊. 波峰焊是针对插件式(插脚式)电路板, 开始时机器人插好插脚孔, 没有焊锡, 然后在熔融的 液态的 焊锡液 里, 浸泡, 冷却, ...形成焊点. 回流焊主要是用来焊接贴片式元件的. 区别是: 在印刷电路板上, 事先就刷上焊锡和焊锡膏, 然后放上贴片元件, 再用高温热风或红外线 加热, 使焊锡膏融化,留下焊锡将元件固定在电路板上.

电容的生产工艺?

可调电容(还有半可调电容器, 就是没有手柄, 只有一个沉头螺钉, 需要用改刀来调节, 主要用于不经常需要进行调整的地方) , 介电介质包括:陶瓷, 云母, 纸质, 空气还有薄膜...一般都是薄膜电容器. 使用的是, 将金属片(如铝片等)和薄膜 卷绕而成. 也有的是, 将金属膜蒸镀咋薄膜上, 形成: metalized film. 一般薄膜有: 聚酯膜如聚乙脂, 聚碳酸酯薄膜, 聚丙烯和聚苯乙烯薄膜. 一般薄膜是很薄的, 厚度通常是 在 2~ 16 um微米, 可调电容器的电容值调节范围大约是3倍, 如2-7微法, 3-9微法, 5-15微法.

而且金属化薄膜还专门有厂家在供应... 好的电容器, 要求有 较小的 漏电电阻...即通交流直流时, 应该有较小的直接电流流过..

电解电容的特点是, 电容值比较大, 但是极性不能接反了,接反了极性可能会发生爆炸.

电容器的极板上带的电荷, 通常是: 跟电源的正极相连的极板, 带的是正电荷.跟负极相连的极板带的是 负电荷. 原理是:  电源的正极 会吸引 相连的极板上的电子(看看电流的方向就知道了), 从而使其带上正电荷, 而电源的负极会排斥(推斥)电子, 到相连的极板上, 从而使其带上负电荷...

生产工艺流程是:

分切, 设备是分切机, 将半成品膜分切为成品膜, 或使用金属化膜;卷绕, 设备是卷绕机, 卷绕成芯子, 是最重要的部分; 两个金属片不是一样长的, 里面的要长一点, 便于露出一部分连接引脚.喷金, 喷金机, 在芯子的两个端面上喷上金属层, 便于焊接. 一般采用 锌丝, 锌铝合金丝赋能, 赋能机, 对芯子进行冲放电检测, 看其容量是否满足要求焊接装配, (自动焊接机), 在前面喷金的 金属层上, 焊上引线, 然后进行串联或并联多个芯子(组合成芯组), 初步组装;浸渍, (设备是 浸渍机). 在高温和真空状态下,使用绝缘油进行浸渍, 以 除去芯子和芯组中的空气和水分其他常规程序, 最后是包装检测成品....

为什么不用普通导线来传输 高频信号?

因为对于高频信号来说, 普通导线会产生比较大的分布电容, 寄生电容,会对 信号产生较大的改变和失真, 即经过传输后, 信号的相位phase可能就不再是原来的样子了, 在后续的电路中再使用原来 的表达式进行计算的话, 就会产生错误. 通常使用同轴电缆来传输高频信号.其外周的电介质既是传输介质的一部分, 同时又可以屏蔽内部的电磁能量向外发散损失, 又可以屏蔽外部电磁的干扰.

交流电路的欧姆定律

功率分成:

视在功率: p=ui, 是表示电源的容量和承载能力.有功功率, 是指u跟i在同向方向上的分量的乘积, 因为u和i 对交流电而言通常不是同向的, 中间的夹角为φ, i在u方向上的分量是cosφ, 这部分电功是 纯阻性的, 是消耗的有功功率, 所以, p(有功)= uicosφ. 有功功率的单位是w, 瓦.无功功率, 是对于电感l,和 电容c, 在电路中是存储 磁能和电场能, 它们实际上并没有消耗电能, 只是和电源之间在转换能量, 所以这部分能量是不会被 实际消耗的, 就叫无功功率. 单位是var , 乏 . 大小就是 p(无功)=uisinφ.视在功率: p=p(向量) p(无功向量), 两者之间是相互垂直的.所以这个φ角 的cos值, 就叫做 功率因数. λ=cosφ=p(有功)/s

提高功率因数 , 有助于提高电源电网的能量利用率 , 同时减小电线上 电能的损失!....

电感l对电路的阻碍作用, 叫感抗: xl=ωl=2∏fl , 因此对低频信号感抗很小, 对高频信号的阻碍作用很大, 所以 电感的作用是 通直流阻交流, 对于电容: 容抗 xc=1/(ωc) =1/(2∏fc), 它的作用就是 阻低频通高频.

电路的感性还是容性?

要看u和i的相位的前后, 当u超前i时, 电路成感性, 当u落后i时, 电路成容性. 也就是 要看xl和xc的大小, 当xl > xc的时候, x>0, 此时u是超前i的, 电路成感性. 当xl < xc的时候, x<0,此时u落后i, 电路成容性. 当xl = xc的时候, x=0, 此时u和i同相, 电路成阻性.

无功功率, 并不是无用, 而是交换的意思, 意思就是, 只是"消耗", 只是相对于 有功功率而言的.

计算交流电的相关特性问题时, 步骤是: 先计算出容抗和感抗xc, xl, 然后用勾股定律, 计算出电抗z, 然后用欧姆定律计算出 电流的有效值i=u/|z|, 然后计算出 u和i的夹角: φ = arctg((xc-xl)/r), 最后得到结果: 视在功率, 有功功率=uicosφ, 功率因素cosφ 等等.

串联谐振和并联谐振?

在交流电电路中, 电阻 等效于, 一个纯性电阻, 电容 , 电感的串联. 对于rlc的串联电路中, 如果是 低频电路, r和l的阻碍作用比较小, 而c的阻碍作用较大, 整个电路中的电流比较小; 对于高频信号, c的阻碍作用较小, 但是rl的阻碍作用就大.整个电路中的电流 也比较小;

所以, 当信号频率从小到大变化时, 电流-频率的变化曲线是一个 尖峰 尖坡形曲线, 两边小, 中间大, 因此 总会有一个频率, 使整个电路的电流最大. 这个电流就是 串联电路的谐振电流i0, 对应当频率就是 谐振频率 f0. 这时的起振就是谐振条件, 谐振时电流最大, 主要使用于 信号内阻较小的情形, 主要用作 选频电路, 取用的物理量是 : 电流.

信号: 实际生活工作中, 信号总是以一定宽度, 一定范围内的频率存在的, 在这个频率范围内的信号都是 有用的, 都是 电路中需要的信号频率. 比如, 人的声音, 唱歌的声音, 音乐声, 震动的频率, 温度, 压强变化的范围等, 都是一个范围, 工作中的物理量, 绝不是一个单一的 数值, 总是一定频率范围的信号, 所以信号总是以 宽度存在的, 信号的频率宽度叫做 频宽.

通频带, 也叫带宽, 意思是, 某个电路, 对某个频率范围的信号, 都有较大的谐振电流, 电路的谐振能力越强, 选频作用越强, 选出的频率就越好, 但是如果选频的范围过于狭窄, 信号中 原来有的 有些有用的信号就会被 过滤, 引起信号的失真, 比如音乐的选频, 如果通频带过于狭窄, 那么原来音乐的 高音部分, 或者低音部分就会被截止, 从而引起声音的失真. 因此, 要求对电路的设计, 既要有较好的选频作用, 又要有适当的带宽. 规定:当信号的振幅不小于最大振幅的 0.707 imax时的频率范围, 就叫通频带, 简称带宽.

同理, 对于lc并联谐振, 起振时, 电流最小, 电路成阻性, 适用于 内阻较大的 信号, 取用的是, 电路两端的 电压(因为此时电压最大)....

转载于:https://www.cnblogs.com/bkylee/p/6265037.html

王凯平

(常州常捷科技有限公司,江苏 常州 213031)

摘要:脉冲或交流应用的干式金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存有气隙。当运行电压超过某一值时,会发生气隙电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点,减小了电极的有效面积,显著降低了电容量值从而影响设备的正常运行;通过等效电路的计算,提出了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的关系式,显示了在高能量密度脉冲功率电容器的研发中过度追求高介电常数介质的路径可能存在的问题;文末列举了两份实验数据,提出了解决气隙电离的参考途径。

关键词:干式金属化薄膜电容器;气隙;气隙电离;电离斑点; 电离电压; 解决途径doi:

中图分类号:tn609 ?? 文献标识码:b? ??

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? ? ? 脉冲功率电容器是新概念电磁武器包括电磁脉冲武器和电磁动能武器等的脉冲功率电源的关键件,也是激光激发核聚变系统的基础件 [1]98。从文献公开的国内外数据看,此类脉冲功率电容器的充放电寿命大多不长,在能量密度为2.0 j /cm3左右时仅数千次而已。即使美国ga公司研制的cmx型电容器在2.0 j /cm3条件下,也只能达到5万次的水平 [1]99,实用价值似乎仍然不高。正常情况下,脉冲功率电容器充放电寿命的长短是指在规定的容量衰减条件下充放电次数的多少。显然此类电容器在充放电试验或实际应用过程中必然会产生电容量的减小,这种减小会导致脉冲功率装置无法正常运行。分析其原因,电容器介质层间发生了气隙电离应该是其中之一。因此,对于干式金属化薄膜电容器而言,深入讨论研究其气隙电离的有关问题对于增加脉冲功率电容器的充放电寿命具有一定的意义。

1? 气隙电离发生的原理

? ? ? 金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存在着气隙。由于薄膜厚度的不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙“中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2] ,在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意图:不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙“中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2] ,在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意见

图1?电容器介质层间发生气隙电离的原理示意

2 ??气隙电离现象的实例描述

? ? ? 发生气隙电离后的电容器,在介质薄膜电极镀层上形成电离斑点的两例状况见图2和图3。

图2 形成电离斑点的金属化薄膜图例之一

图3 形成电离斑点的金属化薄膜图例之二

? ? ? 图2是一只1000pf的圆柱形多串联电容器在10kvac电压下数分钟内迅速发生气隙电离并解剖后两层金属化薄膜的图片。图中白色条状为介质薄膜,黑色条状是薄膜上的金属化镀层,其上的白色圆点、半圆点即为金属化镀层被蒸发后的电离斑点。在电容器电极上施加10kvac电压强迫其迅速发生气隙电离时,在电容器外表面能看到放电火花,并能听到“叭叭”的放电声响。仔细观察图2可以发现,位于金属化镀层条边缘处的电离斑点大都呈半圆或大半圆形态,而且面积较大;而在金属化镀层条上的斑点则呈现圆形且面积较小。这一现象表明,在金属化镀层条的边缘,由于10nm左右的镀层厚度和薄膜表面之间形成的空隙使得该处存在较多的气隙,而相对集中的较多气隙电离增加了该处的放电能量,从而蒸发掉较大面积上的金属化镀层;而缺失的半圆部分,则是因为该处没有金属化镀层电极而不会吸引带电离子的撞击,因而不存在放电火花,也不可能出现电离斑点。此外,电离斑点的不规则分布可以说明气隙的不规则存在。

? ? ? 图3是一只交流状态间歇使用三年后因为电容量下降20%而失效的电容器在解剖后两层金属化薄膜重叠在一起的图片,图4、图5则是把重叠的两层薄膜分开后单层薄膜的电离状况。该电容器使用边缘加厚金属化薄膜制造。仔细观察图4、图5可以看到,两层薄膜上的气隙电离现象有三个特点:其一是在金属化边缘加厚区电离斑点较少而且面积较小,这是因为在边缘加厚部位的金属化镀层较厚,并由此导致了电容器芯子在压扁定型时薄膜层与层之间相对致密而气隙较少的缘故;其二是在金属化加厚区和普通区的交界处,均有一排面积较小但非常密集的电离斑点,这一方面是由于该处的金属化镀层在此有一个由厚向薄的过渡带,导致该处气隙较多,因而气隙电离也就较多,另一方面是由于该处镀层厚度尚未明显降低,气隙电离时蒸发掉的金属较少而致电离斑点也较小;其三是在薄膜宽度方向靠近镀层加厚区一侧、离开加厚区的部分,因为金属化镀层较薄,气隙也较多,同样的放电能量能蒸发掉更大面积上的镀层金属,因而导致了这一区域产生大量面积较大的电离斑点

图4图3中重叠的介质分开后一层薄膜的状况

图5? 图3中重叠的介质分开后另一层薄膜的状况

3? ?气隙电离的后果

? ? ? 在灯箱上和高倍放大镜下观察上述图2至图5所示的气隙电离现象可以发现,电离斑点所在位置的介质薄膜基本正常,均没有发生穿孔,仅是表面上金属化镀层被蒸发掉而已。图4中几个电离斑点的放大图片见图6。其它发生更为严重气隙电离的电容器,尽管电容量下降甚至超过50%,但电容器仍未发生击穿的现象也可以证明此点。因此可以判断,对于金属化薄膜电容器而言,无论是短时内强迫发生的气隙电离,或是在较长工作时间内逐步发生的气隙电离,实际上不会发生介质的电离击穿,即是说,金属化薄膜电容器不存在介质电离击穿的问题,因为一旦气隙电离发生,其造成的电离斑点已经没有了金属化镀层而不再处于电容器的工作电场之中,也就不存在介质进一步被击穿的问题。因此,在脉冲或交流电压的作用下,电容器介质和相邻电极镀层之间的气隙电离给我们带来的后果不是文献所述“交流电压下的电离性击穿 [3]207”, 而是大量产生的电离斑点造成了极板面积的明显减小,从而造成电容量的显著下降而致电容器失效,严重缩短了电容器的使用寿命。对于脉冲功率电容器而言,如果存在气隙电离这一问题,则可能因为电容量的减小而达不到输出能量的要求,导致脉冲功率装置无法正常运行;对于电动机运转电容器而言,则由于电容量的减少会导致力矩减小,使得电动机不能正常运转。

图6? 图4中几个电离斑点的放大图片

4? ?气隙电离与自愈击穿的区别

? ? ? 金属化薄膜电容器在介质击穿时具有自愈的功能,自愈时也会发生放电声响并形成基本规则为圆形但大小不一的斑点,并导致电容量的减小。由此在一些场合会把气隙电离和击穿自愈两者混淆起来,但实际上它们却是两种不同的物理现象。不同于气隙电离的发生机理,自愈是在介质击穿瞬间,电容器的两个电极间在击穿位置发生间隙放电并形成瞬间的电流通路,导致了瞬间的过电流流过,间隙放电和瞬间过电流产生的热量蒸发掉穿孔点周围介质上的小块金属化镀层而形成斑点,并因此把穿孔点孤立于电容器工作电场之外而自愈。显然,不同的发生机理导致了气隙电离和击穿自愈两种现象存在着有无击穿孔的根本区别。此外,应该如何有效防止这两种现象的发生,也有着完全不同的途径。图7是一个击穿自愈斑点的图片,在放大镜下仔细观察自愈斑点,可以看到在击穿孔周围存在着一圈薄膜受热收缩形成的堆积物。

图7 金属化薄膜击穿并自愈后的图片

5? ?气隙电离的等效电路及分析

? ? ? 上述分析表明,对应用于脉冲和交流状态的干式金属化薄膜电容器而言,气隙电离是一个必须引起足够重视的问题,有必要进一步深入分析。

? ? ? 文献建立了具有封闭气隙的无机介质电容器模型,并导出了模型的等效电路[3]208。参照其原理,可以建立气隙在介质和金属化镀层之间的金属化薄膜电容器模型及其等效电路如图8。在电容器中,气隙的分布是不均匀的,各个位置的气隙大小也不相同。按照模型,我们仅针对某一个扁平型且垂直于电场方向的气隙具体分析其击穿电压和电容器开始发生气隙电离的门槛电压之间的关系,并分析影响气隙电离的三个因素。

图8 分析气隙电离的电容器模型和等效电路

? ? ? 在图8中,处于电场中的气隙具有厚度d1及面积s时,实际上构成了一个电容器。由于空气的相对介电常数近似为1,因此其电容量c1=ε0s /d1,ε0为真空绝对介电常数;而对应于气隙,由相对介电常数为 εr、厚度为d的介质构成了面积和c1相同的电容器c2,其电容量为c2= εrε0s /d。显然,如图所示,当在电容器的两电极间施加电压u时,处于同一电场中的介质电容器c2和气隙电容器c1上的分压关系为u2 / u1=c1/c2=d /εrd1 ,因而有:u2=u1d /εrd1,所以有u=u1 u2=u1(1 d /εrd1)。

? ? ? 根据对气隙电离现象的分析,在上式中当分配在气隙电容上的电压u1达到气隙的击穿电压ub时,气隙开始发生电离。此时施加于电容器电极的电压u=ui ,称之谓电离电压,实际上就是电容器可能发生气隙电离的起始门槛电压,于是有:ui =ub(1 d /εrd1)(1)

(1)式中,ub作为空气气隙的击穿电压,在同样外部条件下可以认为其值是不变的。因此,(1)式表明了电容器的电离电压ui受d、εr和d1影响的关系。介质厚度d越大、相对介电常数εr和存在的气隙d1越小,越有利于提高电容器电离电压ui的水平。但在工程上,由于介质厚度的增加会显著增大电容器的体积而没有选择的空间,所以不可能通过介质厚度来提高电离电压;而对于介质相对介电常数,就目前状况而言,基本上没有选择的余地。因此,影响电容器电离电压ui的主要因素是介质层间存在的气隙d1。如同前文对气隙电离实例的描述和分析,电容器产生电离斑点的状况,主要取决于介质层间存在气隙的状况,包括气隙的多少、大小和位置的分布,也和导致气隙电离发生时气隙所处电场强度的大小以及对应位置镀层金属的厚薄等因素有关。

? ? ? 根据(1)式,可以具体分析介质相对介电常数εr和存在的气隙d1对电容器电离电压ui的影响程度。

6? ?介电常数大小对气隙电离的影响

? ? ? 虽然目前对介质相对介电常数基本没有选择余地,但在脉冲功率电容器的研发中,为了提升能量密度指标,往往会追求相对介电常数更高的聚合物介质,希望εr达到10甚至更高。如此材料制成的电容器,其它如放电特性等性能不论,单就气隙电离可能导致电容器电容量下降、充放电寿命缩短就是一个不容小觑的问题,必须重视。由此,对于相对介电常数εr对气隙电离的影响,使用比较方法进一步作如下分析:

? ? ? 假定有2只电容器ca和cb,他们的d和d1均相同,但介质的相对介电常数εr不同,而且有εrb=nεra,n > 1。根据(1)式有:

uia=ub(1 d /εrad1)=ub(d εrad1)/εrad1

uib=ub(1 d /nεrad1)=ub(d nεrad1)/ nεrad1

于是有:uib/ uia=(d nεrad1)/(nd nεrad1) (2)由于n>1,必然nd>d因此:uib/ uia<1

? ? ? ?(2)式表明介质相对介电常数εr大的电容器在d和d1相同条件下比εr小的电容器电离电压会降低,而且εr越大,电容器的电离电压降得越低,在同样工作电压下更容易发生气隙电离。如果考虑在金属化薄膜电容器中气隙厚度d1非常之小,远不足以用μm来度量,在(2)式中我们把d1项舍去,则有:uib/ uia= 1/n (3)

? ? ? (3)式中的n为两种介质材料相对介电常数大小的比值,该式近似表明了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的反比关系。按照此式,如果使用相对介电常数为11的聚合物介质制造电容器,则与使用聚丙烯膜介质的相同电容器比较,前者的电离电压即开始发生气隙电离的门槛电压会降低至后者的大约1/5。

7? ?气隙多少对气隙电离的影响

? ? ? 有文献指出,“有这样一个最小电压值约250v(有效值),比它再低时,游离就不发生了[4]”。实际上,这一“最小电压值”的界限是有气隙多少的条件的。如果包括工艺在内的各种因素不能保证电容器介质层间存在的气隙低于某一水平,则很可能在200v(有效值)甚至更低的情况下,仍旧会发生气隙电离。可以作如下分析:

? ? ? 假设金属化聚丙烯膜电容器c在介质厚度为d、层间气隙为d1时的电离电压为ui,如果c的层间气隙d1增加为d1'且d1'=nd1,n>1,那么该电容器的电离电压ui'会在ui的基础上下降多少?

根据上述假设和(1)式,有:

ui=ub(1 d /εrd1)=ub(d εrd1)/εrd1

ui'=ub(1 d /εrnd1)=ub(d εrnd1)/ εrnd1

由此:

ui'/ ui=(εrnd1 d)(εrd1)/ (εrnd1)(εrd1 d)=(εrnd1 d) / (εrnd1 nd ) (4)

由于n>1,必然nd>d因此:ui'/ ui<1

? ? ? ?(4)式表明,介质层间气隙多的电容器,其电离电压一定偏低。如果考虑气隙厚度d1远不足以用μm来度量,在(4)式中把d1项舍去,则有:

ui'/ ui= 1/n (5)式中的n为同样电容器中介质层间气隙多少的比值,该式近似表明了电容器介质层间气隙多少影响电容器电离电压高低的反比关系。如果由于材料、工艺等因素导致电容器c的层间气隙在原来d1的基础上增加25% 即n=1.25,则电容器c的电离电压可能从原来的ui下降为0.8ui,即是说如果ui原来为250v(有效值),则气隙增加一定量后可能ui就降为200v(有效值)了。

8? ?解决气隙电离的参考途径

? ? ? 在大多应用场合,额定的脉冲电压或交流电压都会远高于电容器的电离电压。在此条件下,解决电容器的气隙电离问题只有两条途径:其一是消除存在于电容器介质层与层之间的气隙;其二是采用多串联的办法使其中每一串电容器上的工作电压低于其电离电压,从而不会发生气隙电离。

? ? ? 图9、图10显示了两只圆柱形多串联电容器在同样条件的脉冲充放电试验24万次并解剖后金属化薄膜(重叠在一起)的状况[5]。显然,图10电容器发生了严重的气隙电离,致使其与标称值0.02μf相比,电容量下降了17% ,仅为0.0166μf,而且可以看到电离斑点大量发生在金属化镀层条的边沿,和图2所示状况相似。其原因也和图2电容器相同,是由于金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙处积聚了较多气隙而造成,由此也能看出气隙d1之小。而图9电容器测量电容值几乎没有变化,解剖图片显示金属化薄膜状态正常,没有发现电离斑点。这两只电容器额定指标相同,尺寸均符合要求,只是设计上图9电容器比图10电容器多了一串。由此可以推测,恰恰是多出的这一串降低了每串电容器上承受的试验电压,使得此试验电压低于了它的电离电压。根据上述分析的结果还可以推测,若使用εr较高的介质材料来制造上述规格的电容器,则即使采用和图9电容器相同的串数时也可能导致气隙电离的发生。

图9 充放电试验后基本正常的金属化薄膜

图10 充放电试验后发生气隙电离的金属化薄膜

? ? ? 图11是三组多串联电容器充放电寿命试验的曲线图,三组电容器均为0.02μf,但结构分别为6串、7串和12串,试验条件为温度100℃,脉冲电压15kv,频率2.3hz[6]。试验曲线图表明:2只6串结构电容器在充放电39万次和78万次后均发生了严重的气隙电离,致使电容器的电容量发生雪崩式大幅下降;而7串结构的电容器在180万次充放电试验后电容量下降约为10%;至于12串结构的电容器则在180万次充放电试验后电容量变化很小,基本没有发生气隙电离。

? ? ? 上述两例高压电容器充放电寿命试验结果表明,对于在脉冲或交流工作状态的电容器,尤其是高能量密度要求下的干式高压脉冲功率电容器,必须设计有合理的串联数才能防止其气隙电离的发生,由此提升其充放电次数,保证达到更高使用寿命的要求。如果为了提升电容器能量密度指标而使用介电常数εr较大的介质材料,则对串联数会有更高的要求,并且由此也会对介质材料的厚度控制造成更大的难度。

图11 三组高压电容器充放电寿命的比较

9? 结论

? ? ? 在储能、电力等领域,使用干式金属化薄膜电容器已成为发展趋势。但干式电容器在制造过程中介质薄膜层间不可避免的存有气隙,当运行的脉冲或交流电压超过电容器的电离电压时,在电场作用下上述层间存在的气隙会发生电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点。不断发生的气隙电离会严重减小金属化镀层电极的有效面积,从而显著降低电容器的电容量而影响整个系统的正常运行。分析表明:气隙电离不会导致电容器介质的电离性击穿,只会因电容量的减小而降低其使用寿命;使用相对介电常数较大的介质材料制造的电容器,使用时发生气隙电离的门槛电压会降低,在相同工作条件下更易发生气隙电离;交流状态工作时,只要低于250v(有效值)即可防止发生气隙电离这一认知是有条件的,如果气隙偏多,即便在200v(有效值)或更低工作电压时同样可能发生气隙电离,这种气隙多少对于电离电压高低的影响在脉冲功率电容器中同样存在;通过多串联方法降低每一串电容器上的工作电压,使之低于其电离电压可以有效地防止气隙电离的发生。对于干式高能量密度的脉冲功率电容器而言,为了保证其在允许的容衰条件下获得更多的充放电次数,从而延长电容器的使用寿命,这一点尤其重要。

参考文献:

[1] 周水杉,章莉.脉冲功率电容器的应用和发展 [j]. 电子元件与材料,2016,35(11).

[2]王莹. 脉冲功率科学与技术 [m].北京:北京航空航天大学出版社,2010, 392.

[3]谢道华.电容器性能与设计计算[m].北京:中国标准出? ?版社,1991.

[4]西安电力电容器研究室译.电容器的设计与计算[m].1972,? 21.

[5]ray bowker. chinese multiplier cap evaluation update [r].new york:spellman high voltage electronics corporation,2003.

[6]ray bowker.voltage cycle testing of small diameter hv caps [r].new york:spellman high voltage electronics corporation,2009.

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