高壓大容量長壽命脈沖電容器的研制

何紅莊

摘 要：本文設(shè)計了一種應(yīng)用于脈沖功率電源的高壓、大容量、長壽命金屬化膜電容器。從理論計算出發(fā)，對照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，綜合考慮電容器的額定電壓、峰值電流、工作頻率等指標(biāo)，得出膜材取值范圍和電容器可選元件子集;應(yīng)用計算機(jī)3D擬合等仿真技術(shù)，反復(fù)迭代出匹配基材的最優(yōu)元件大小及元件空間布局方案，確定了電路拓?fù)?、芯子結(jié)構(gòu)及絕緣方案。同時，搭建全工況試驗(yàn)平臺，測試了電容器的電壓、工作電流、壽命等性能指標(biāo)。測試結(jié)果表明：電容器容值217 μF，在額定電壓為35 kV、工作電流為35 kA、反峰大于10%工況下，壽命大于40 000次。

關(guān)鍵詞：高壓;大容量;仿真迭代;長壽命;脈沖電容器

中圖分類號：TM531.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0041-05

Abstract： A high-voltage， large-capacity， and long-life metalized film capacitor used in pulsed power supplies was designed. Starting from theoretical calculations， comparing with the empirical database， comprehensively considering the capacitor's rated voltage， peak current， working frequency and other indicators， the film material value range and the subset of capacitor optional components were obtained; computer 3D fitting and other simulation techniques were used to iterate repeatedly. The optimal component size and component space layout plan of the matching substrate was developed， and the circuit topology， core structure and insulation plan were determined. A test platform for all working conditions was built to test the capacitor's performance indicators such as voltage， working current， and life. The test results show that the capacitor has a capacitance value of 217 μF， a rated voltage of 35 kV， an operating current of 35 kA， an inverse peak greater than 10% ， and the service life is greater than 40，000 times.

Keywords： high voltage;high-capacity;simulation iteration;long life;pulse capacitor

脈沖功率電源系統(tǒng)一般具有電壓高、電流大等特點(diǎn)，并且往往對瞬時功率、儲能密度以及儲能規(guī)模的要求較高[1]。高壓、大容量、長壽命的脈沖電容器是脈沖功率電源的核心部件，電容器的綜合性能直接影響甚至體現(xiàn)了脈沖功率裝置的性能。在科研及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)新材料和新工藝，應(yīng)用計算機(jī)3D擬合等輔助設(shè)計進(jìn)行仿真迭代[2]，研發(fā)低電感和低內(nèi)阻、能耐受大電流且具有長壽命的脈沖電容器，是脈沖源技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。當(dāng)前，國內(nèi)外較成功的脈沖源系統(tǒng)主要是以雙向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene，BOPP）薄膜的金屬化膜脈沖電容器作為儲能元件[3]。我國“神光”等系列國家大科學(xué)工程，對該類電容器有大規(guī)模需求，后續(xù)項(xiàng)目需要的電容器性能也不斷提升。本文設(shè)計了一種高電壓（35 kV）、大電流（35 kA以上）、單臺大容量（217 μF）、長壽命（大于4萬次）的脈沖電容器，并介紹了研制和試驗(yàn)驗(yàn)證過程。

1 大容量脈沖電容器設(shè)計

脈沖電容器的結(jié)構(gòu)為平板型結(jié)構(gòu)，在兩塊電極板之間夾著的絕緣介質(zhì)層是電容器的儲能單元。當(dāng)兩電極之間施加電壓[U]，極板上將儲存電荷[Q]。這時電極間的電容量[C]為：

式中：[ε]為絕緣介質(zhì)的介電常數(shù);[S]為極板面積;[d]為絕緣介質(zhì)的厚度。在研制大容量脈沖電容器時，絕緣介質(zhì)厚度[d]要取小值才能設(shè)計出緊湊型電容器，所以通常優(yōu)選膜厚為微米級別的金屬化膜作為主基膜。金屬化膜即以雙向拉伸聚丙烯膜（BOPP）為基膜，并采用蒸鍍在基膜一面的金屬化層（納米級）為電極，專為大容量電容器而研制的。金屬化膜脈沖電容器還有一個顯著特點(diǎn)，即當(dāng)電容器承受瞬間高壓或工作于高場強(qiáng)時，薄膜中的電弱點(diǎn)首先被擊穿，擊穿點(diǎn)處薄膜介質(zhì)儲存的能量瞬間釋放，使得該擊穿點(diǎn)及其周圍的金屬化鍍層瞬時蒸發(fā)，形成絕緣恢復(fù)，即金屬化膜“自愈”[4-5]。自愈成功后電容器能繼續(xù)穩(wěn)定工作，所以金屬化膜脈沖電容器的性能具有高可靠性。

1.1 膜材場強(qiáng)選型及元件集設(shè)計

當(dāng)前工藝成熟度高的金屬化膜膜厚[D]的取值范圍為2.5～8 μm，由式（2）[6]可得出設(shè)計電場[E]、所取膜厚[D]及元件的設(shè)計電壓[Ud]的關(guān)系，進(jìn)而得到元件的可設(shè)可選的電壓集合[Ui]。

對于額定電壓為35 kV、容量值為217 μF的脈沖電容器，可根據(jù)儲能公式[見式（3）][7]計算得到單臺電容器額定儲能為133 kJ。

金屬化膜優(yōu)異的自愈性能是電容器可靠工作的必要保證，自愈能量的大小直接關(guān)系到是否能成功自愈。國內(nèi)外學(xué)者對自愈的因素及性能做了大量研究，得出了自愈能量的經(jīng)驗(yàn)公式[8]：

式中：[Ub]為介質(zhì)膜擊穿電壓;[C0]為電容量;[Rsq]為金屬化膜方阻;[αp]為層間壓強(qiáng)的函數(shù)，[α1]、[α2]為常數(shù)。公式（4）說明，大容量電容器的芯子元件規(guī)格關(guān)系到金屬化膜是否能成功自愈，其設(shè)計是電容器設(shè)計的關(guān)鍵之一。該結(jié)論在劉泳斌等的最新研究成果中[9]得到了驗(yàn)證。根據(jù)公式（4）以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，得到元件可設(shè)可選的電容值集合[Ci]。

1.2 結(jié)構(gòu)及絕緣設(shè)計

本次電容器外殼選用304不銹鋼，單端子引出（高壓端），低壓端與外殼相連，極間絕緣即為極殼絕緣。根據(jù)脈沖電容器標(biāo)準(zhǔn)[10]和數(shù)據(jù)庫經(jīng)驗(yàn)值，其絕緣電壓為：

式中：[U]為設(shè)計的絕緣電壓;[U0]為額定電壓;[K]為設(shè)計裕度（[K]>1）。

絕緣材料均選用雙向拉伸聚丙烯薄膜，保證極間（極殼）絕緣。元件及芯子的串并聯(lián)采用鍍錫銅片連接。芯包整體有防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計及防爆材料保證。

1.3 元件及芯包的仿真迭代設(shè)計

在元件可選電壓集[Ui]、可選容值集[Ci]設(shè)計基礎(chǔ)上，從電氣性能、機(jī)械物理性能（體積重量引線結(jié)構(gòu)等）以及期望壽命三大指標(biāo)出發(fā)，對電壓、電流、內(nèi)阻、內(nèi)感，膜材料、元件、芯子、芯包等多指標(biāo)進(jìn)行仿真迭代優(yōu)化（元件參數(shù)可選子集中，空間排布均勻，元件總體積少者優(yōu)先），流程如圖1所示。

經(jīng)計算機(jī)計算迭代，得出符合電氣指標(biāo)空間布局優(yōu)化的元件及芯包的設(shè)計方案，再參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)值進(jìn)行修正，圖2即確定的設(shè)計方案。

2 試驗(yàn)測評與分析

由上述設(shè)計方案，研制了額定電壓為35 kV、單臺電容量為217 μF的脈沖電容器，并對該型脈沖電容器的主要指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測試。

2.1 極間耐壓試驗(yàn)及電容（[Cx]）、損耗角正切值（[tanδ]）、內(nèi)阻的測量

第一，初測電容。在耐壓試驗(yàn)之前，用HF2615型電容測量儀測量電容量[Cx]及損耗角的正切值[tanδ]，測試頻率為100 Hz，試驗(yàn)環(huán)境溫度為12 ℃。第二，將產(chǎn)品直流充電到42 kV，保持10 s，監(jiān)測電容器有無擊穿閃絡(luò)現(xiàn)象。第三，復(fù)測電容。在耐壓試驗(yàn)之后，用HF2615型電容測量儀測量電容及[tanδ]（耐壓后和耐壓前的電容差值為[ΔCx]），測試頻率100 Hz，試驗(yàn)環(huán)境溫度為12 ℃，測試結(jié)果如表1。

2.2 5次充放電試驗(yàn)

試驗(yàn)方案為：第一，試品直流充電到額定電壓35 kV，然后通過0.062 Ω的電阻、50 μH的電感進(jìn)行放電，這樣的過程進(jìn)行5次;第二，試驗(yàn)前后用HF2615型電容測量儀測量電容，觀測其電容量的變化情況，試品環(huán)境溫度22 ℃。放電波形見圖3，測試數(shù)據(jù)見表2。

2.3 耐久性（長壽命）試驗(yàn)

試驗(yàn)方案為：第一，試品直流充電到額定電壓35 kV，然后通過電阻0.062 Ω、電感50 μH的放電回路進(jìn)行充放電，峰值電流35 kA，反峰電流>10%，放電頻率90 s/次。測試頻率為100 Hz，試驗(yàn)前的電容量為219.26 μF。放電共進(jìn)行40 000次，原理圖見圖4，試驗(yàn)平臺實(shí)物圖見圖5。第二，試驗(yàn)前后及試驗(yàn)期間分別用HF2615型電容測量儀測量電容及[tanδ]，觀測其變化情況。測試結(jié)果見表3和表4，放電示波見圖6至圖9，壽命曲線圖見圖10。

試品壽命曲線記錄如圖10所示。

2.4 承受故障能力試驗(yàn)

試驗(yàn)方案為：將進(jìn)行完40 000次壽命試驗(yàn)的產(chǎn)品，通過[R]=0.045 Ω、[L]=33.2 μH的放電回路進(jìn)行5次大電流放電，放大峰值電流為80.78 kA、反峰電流為66.76 kA，反峰率為82.64%。試驗(yàn)前后測量產(chǎn)品的電容量和損耗角正切值測試數(shù)據(jù)見表5。從表5可知，試驗(yàn)前后電容量和損耗角均無明顯差異，結(jié)論合格。

3 結(jié)論

成功研制額定電壓為35 kV、單臺電容值為217 μF的大容量高壓脈沖電容器，工作電流在35 kA情況下，使用壽命能超過4萬次，并能承受多次80 kA的故障電流，能滿足國家科技大項(xiàng)目對該類電容器的性能需求，入選大規(guī)模裝備科學(xué)裝置電容器備選目錄。

此外，本次研究過程的迭代模型及相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)錄入經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)研發(fā)新產(chǎn)品或深入研究電容器內(nèi)電、磁、力、熱等物理場奠定了基礎(chǔ)。

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