金屬化聚丙烯膜脈沖電容器過(guò)載特性*

張?zhí)煅?，宋祖殷，袁云華，秦 舒，陳冬群，劉金亮

(1.國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073;2.空軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南長(zhǎng)沙 410100)

脈沖電容器作為爆磁壓縮激勵(lì)電流源的儲(chǔ)能元件之一，是爆磁壓縮發(fā)生器［1］(Magnetic Flux Compression Generators，MFCGs)的一個(gè)關(guān)鍵部件，通常要求單次可靠運(yùn)行。正是由于單次運(yùn)行，為脈沖電容器的過(guò)載工作提供了極大的可能。過(guò)載工作的電容器與額定電容器相比具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)爆磁壓縮激勵(lì)電流源的緊湊化。

近十年以來(lái)，美國(guó)德克薩斯大學(xué)脈沖功率中心對(duì)商業(yè)提供的電子元器件在脈沖功率領(lǐng)域的過(guò)載運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，比如電池的大電流放電［2］、電阻的超功率使用［3］、電容器的過(guò)電壓使用［4］等。本文研究了不同溫度下國(guó)產(chǎn)金屬化聚丙烯膜脈沖(Metalized Polypropylene Pulse，MPP)電容器的過(guò)載特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路示意圖Fig．1 Schematic of experimental facility

MPP電容器過(guò)載放電實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，圖中AC為220V交流電源，其作用是提供穩(wěn)定的交流電壓，并通過(guò)變壓器升壓后經(jīng)高壓硅堆D對(duì)電容器C直流充電。R為20kΩ的水電阻，在電容器充電過(guò)程中起到限流的作用，同時(shí)在電容器擊穿時(shí)保護(hù)充電回路，防止電容器擊穿產(chǎn)生的大電流損壞充電回路。GAP為觸發(fā)型氣體火花開(kāi)關(guān)，其作用是控制電容器C對(duì)負(fù)載電路放電。L為0.48μH負(fù)載，這個(gè)負(fù)載值相對(duì)較小，其目的是保證電容器有較大的輸出電流，Rm為負(fù)載電感的內(nèi)阻。C為樣本電容器(型號(hào):MMJ4－6.6)，由蘭州長(zhǎng)華科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，其具體參數(shù)如下:電容量6.6μF，額定電壓4kV，體積 135cm3，重量 0．2kg，額定儲(chǔ)能密度0．4kJ/L。實(shí)驗(yàn)前對(duì)電容器進(jìn)行編號(hào)(0～50)。由于實(shí)驗(yàn)中要對(duì)不同溫度下的電容器進(jìn)行測(cè)試，因此需要在電容器內(nèi)部安裝一個(gè)溫度探測(cè)裝置。為了不影響電容器的各項(xiàng)性能，根據(jù)MPP電容器為卷繞型的特點(diǎn)，將溫度探測(cè)裝置置于卷繞支撐物內(nèi)部，并將電容器兩端噴金層區(qū)域用導(dǎo)線引出，最后在端口兩端灌膠密封。

在電容器過(guò)載放電實(shí)驗(yàn)前，需要測(cè)試電容器的耐壓性能。首先從樣本電容器中抽取0～23號(hào)的電容器，并平均分成三組，每組8個(gè)電容器。其次在三個(gè)溫度點(diǎn)(－45℃、25℃、60℃)分別對(duì)三組電容器的耐壓性能進(jìn)行測(cè)試，其中低溫實(shí)驗(yàn)(－45℃)和高溫實(shí)驗(yàn)(60℃)分別在高低溫箱中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)利用圖1中的充電回路對(duì)電容器充過(guò)電壓，直到電容器出現(xiàn)擊穿放電損壞現(xiàn)象為止。由于擊穿時(shí)電容器相當(dāng)于短路，其兩端電壓很小，因此可以通過(guò)測(cè)量電容器兩端電壓的變化情況來(lái)判斷其是否擊穿，從而得到這種電容器的擊穿電壓值，最后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同溫度下電容器的耐壓值U0。

電容器過(guò)載放電測(cè)試中，首先從樣本電容器中抽取24～50號(hào)的電容器，并平均分成三組，每組9個(gè)電容器。其次在三個(gè)溫度點(diǎn)(－45℃、25℃、60℃)分別對(duì)三組電容器的過(guò)載放電能力進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)利用圖1中的充電回路將電容器充到U0后，觸發(fā)開(kāi)關(guān)GAP導(dǎo)通，使電容器經(jīng)放電回路對(duì)0．48μH負(fù)載L放電。

實(shí)驗(yàn)中要對(duì)電容器的溫度、充電電壓、放電電流以及電容器自身參數(shù)等進(jìn)行測(cè)量，其中溫度利用PT100熱電偶溫度探頭及監(jiān)控器進(jìn)行測(cè)量，其精度為1℃，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。充電電壓利用SDWFRC交直流分壓器進(jìn)行測(cè)量，其為阻容分壓器，分壓比為1000∶1，高壓臂阻抗為1000MΩ，直流精度為1．0%，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。放電電流利用美國(guó)Pearson公司生產(chǎn)的Rogowski線圈進(jìn)行測(cè)量，其為自積分線圈，測(cè)量靈敏度為1V/kA，I/U=1000，即被測(cè)電流經(jīng)Rogowski線圈轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，且兩者成正比，比值為1000。電容器自身參數(shù)利用TH2822A手持式LCR儀進(jìn)行測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 電容器耐壓性能實(shí)驗(yàn)

電容器耐壓性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示，表中給出了三個(gè)溫度條件下各個(gè)電容器的擊穿電壓值，其中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為電容器編號(hào)，括號(hào)外數(shù)字為電容器的擊穿電壓值。

表1 電容器耐壓性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab．1 Results of capacitor withstand voltage experiment

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1)在60℃時(shí)電容器的擊穿電壓值普遍低于25℃和－45℃時(shí)的擊穿電壓值，這說(shuō)明溫度對(duì)于MPP電容器的擊穿電壓是有影響的，其存在一段最適宜的工作溫度范圍，超過(guò)這一溫度范圍時(shí)電容器的耐壓性能有所下降。這是由于過(guò)高的溫度會(huì)使電容器絕緣介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度下降從而出現(xiàn)熱老化或熱擊穿的現(xiàn)象［5］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定－45～25℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)是適合MPP電容器正常工作的。

2)在同一溫度環(huán)境下，各個(gè)電容器的擊穿電壓值不盡相同，存在一定的偏差，但差別不大。這說(shuō)明在一定溫度環(huán)境下，MPP電容器存在一個(gè)耐壓值，當(dāng)充電電壓高于這個(gè)耐壓值時(shí)，電容器有可能發(fā)生擊穿。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以定義三個(gè)溫度下測(cè)得的擊穿電壓的最小值即為這種電容器在該溫度環(huán)境下的耐壓值。也就是說(shuō)－45℃和25℃下，電容器的耐壓值為5．7 kV。60℃下，電容器的耐壓值為 5．3kV。

為了分析不同溫度下電容器過(guò)載運(yùn)行對(duì)其儲(chǔ)能密度的提高程度，可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

其中 W0，C0，U0，V0分別為電容器過(guò)電壓下的儲(chǔ)能密度，電容量，充電電壓和電容器體積;We，Ce，Ue，Ve分別為電容器額定電壓下的對(duì)應(yīng)參數(shù)。由于在－45～60℃范圍內(nèi)電容器的體積基本不變，因此式(1)可作上述簡(jiǎn)化。

根據(jù)式(1)計(jì)算得，－45℃和25℃環(huán)境下，電容器過(guò)載運(yùn)行的儲(chǔ)能密度可達(dá)到額定儲(chǔ)能密度的2倍。60℃環(huán)境下，電容器過(guò)載運(yùn)行的儲(chǔ)能密度可達(dá)到額定儲(chǔ)能密度的1．8倍。這表明在－45～60℃范圍內(nèi)用過(guò)載運(yùn)行的MPP電容器作為爆磁壓縮激勵(lì)電流源的儲(chǔ)能元件，其體積和重量相對(duì)額定工作的MPP電容器能夠縮小55%以上。

2.2 電容器過(guò)載放電實(shí)驗(yàn)

電容器過(guò)載放電實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，表中給出了三個(gè)溫度條件下各個(gè)電容器的放電次數(shù)(n)、電容量變化率(ΔC/C)、充電電壓(U0)、放電電流第一峰值(Im)以及放電電流第一峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間(tm)。

表2 電容器過(guò)載放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab．2 Results of capacitor overstress discharge experiment

為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，可根據(jù)式(2)和式(3)［6］計(jì)算 Im及 tm

式(2)和式(3)中，I0和 T0分別為無(wú)阻尼(R=0)條件下電容器放電電流的第一峰值及放電周期。

其中U0為電容器充電電壓(－45℃和25℃時(shí)，U0為 5．7kV。60℃時(shí)，U0為 5．3kV)，C 為回路電容6．6μF，L 為回路電感 0．48μH，R 為回路電阻2mΩ。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)結(jié)果代入式(2)和式(3)計(jì)算，可得到不同溫度下Im及tm的理論值，其中 －45℃和 25℃ 環(huán)境下，Im=17．8kA，tm=3．2μs，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 17 ～18kA，3．2 ～3．3μs相比基本相同;60℃環(huán)境下，Im=16kA，tm=3μs，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)15.6 ～16kA，3．6μs相比 tm明顯偏小。由式(3)可以發(fā)現(xiàn)，tm主要隨C和L變化，當(dāng)C或者L增加時(shí)，tm變大，反之亦然，而實(shí)驗(yàn)中回路電容C即為電容器的容值6.6μF，可直接測(cè)量，因此tm的實(shí)驗(yàn)值相對(duì)理論值偏大只能是由于回路的電感變大導(dǎo)致的，而回路電感主要由電容器內(nèi)感、負(fù)載以及開(kāi)關(guān)電感組成，其中負(fù)載為0．48μH，可直接測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中所用開(kāi)關(guān)為三電極火花開(kāi)關(guān)，其間隙d=2cm，代入火花開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電感公式(7)［7］

由式(7)計(jì)算得開(kāi)關(guān)與導(dǎo)通電感L為28nH。開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電感與負(fù)載相比可以忽略不計(jì)，因此回路電感的變大只能是由于電容器內(nèi)感變大導(dǎo)致的。將60℃環(huán)境下測(cè)得的tm值代入式(3)，可以計(jì)算出此時(shí)的回路電感為0．59μH。這表明在60℃環(huán)境下，電容器自身的內(nèi)感相對(duì)于－45℃和25℃環(huán)境下有所增加，計(jì)算得其大約增加了100nH。

電容器過(guò)載放電實(shí)驗(yàn)中，在－45～60℃范圍內(nèi)對(duì)電容器充過(guò)電壓，使其儲(chǔ)能密度達(dá)到額定儲(chǔ)能密度的1．8倍，且Im均大于15kA時(shí)，27個(gè)電容器均成功放電，因此可采用公式(8)［8－10］

計(jì)算此時(shí)電容器能夠單次過(guò)載可靠工作的單側(cè)置信下限，式中，n為樣本大小，F(xiàn)為失敗數(shù)，γ為置信水平，RL為可靠度R的單側(cè)置信下限。根據(jù)計(jì)算得，在0．95的置信水平下，其 RL為0．9。這表明，在－45～60℃范圍內(nèi)過(guò)載運(yùn)行MPP電容器，使其儲(chǔ)能密度達(dá)到額定儲(chǔ)能密度的1．8倍，且Im為15kA，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)單次過(guò)載可靠工作。

3 結(jié)論

本文研究了MPP電容器在不同溫度下的過(guò)載特性。研究發(fā)現(xiàn)，在－45～60℃范圍內(nèi)過(guò)載運(yùn)行MPP電容器，其儲(chǔ)能密度可達(dá)額定儲(chǔ)能密度的1．8倍，且放電電流第一峰值為15kA。此時(shí)在0.95的置信水平下，其過(guò)載運(yùn)行的可靠度單側(cè)置信下限為0．9，可實(shí)現(xiàn)單次過(guò)載可靠工作。這為脈沖電容器的過(guò)載運(yùn)行提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為爆磁壓縮激勵(lì)電流源的緊湊化提供了一個(gè)有效的方法。

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