新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案 - 全文

　　本文采用新型耐高温金属化聚丙烯膜材料作为介质和电极，采用高温绝缘环氧树脂灌封料进行封装，采用加严的制作工艺，设计出耐高温（上限类别温度为125℃）的金属化聚丙烯膜介质交流脉冲电容器，扩展了聚丙烯膜电容器的应用范围。

　　1.绪言

　　随着电子科学技术的发展和进步，21世纪的能源问题越来越引人瞩目，全球各个行业都在大张旗鼓的节能，照明行业就是其中的一部分，据不完全统计，照明用电量很大，因而节能潜力巨大，这给照明行业的元器件供应商提供了商机和挑战。电容器行业就是其中的一个受益者，特别是在白炽灯、电感式镇流器被禁用，随着紧凑型节能灯、电子式镇流器及第四代照明光源或绿色光源LED快速发展的情况下，研发长寿命、高功率电子产品是照明行业的新的发展趋势。

　　本文主要是从产品设计思路上浅谈如何设计出额定温度为105℃，工作温度范围为-55℃~+125℃的耐高dv/dt脉冲爬升速率的耐高温聚丙烯膜交流脉冲电容器。

　　2.市场调查

　　该类产品主要应用于照明市场的电子镇流器和LED中，市场需求量比较大，风险性小，客户群主要有飞利浦等全球五大照明厂商，典型的应用电路如下：

　　2.1 电子镇流器

　　主要分欧洲电路（如图1所示）和美国电路（如图2所示）两种。

　　a.欧洲电路：用在C6、C7、C9位置，C6、C7起缓冲作用，C9位置起谐振作用；

　　

　　b.美国电路：用在C6、C7、C8位置，C6起脉冲推动、C7起谐振作用，C8位置起限流作用；

　　

　　2.2 LED节能灯电路（如图3所示）用在C6、C8、C9位置，C6、C9起吸收作用，C8起谐振作用。

　　

　　3.技术要求

　　气候类别：55/125/56

　　额定温度：105℃

　　类别电压：UC=0.75UR

　　寿命（高温耐久性）实验：1.25UR，105℃，2000h;

　　要求（GB/T14579-93（IEC 60384-17-1987）：

　　△C/C≤5%，△tgδ10kHz≤0.0015.

　　dV/dt试验：

　　充电电压（Vd.c.）：UR;放电电阻（Ω）：

　　Rd=短路，充放电次数：100000次4.产品设计及工艺控制

　　4.1 介质材料的选定

　　聚丙烯材料以其介质损耗低，稳定性好，体积电阻率高，吸水率低，热收缩率小等特点，比较适合用在交流与脉冲应用场合。目前聚丙烯膜根据不同的使用要求，分为普通聚聚丙烯膜，高温聚丙烯膜，现把它们的性能对比见表1、表2.

　　

　　根据表1、表2的对比，我们采用耐温性能、击穿场强高、热收缩率好的高温聚丙烯膜具作为该类电容器的电介质。

　　4.2 金属化膜极板及产品结构的选择

　　4.2.1 金属化膜镀层材料及方阻的选择

　　电极在电容器中起着聚集电荷的作用，它的形式随着电容器结构和应用场合的不同而不同，本文研究的产品主要是应用在照明行业中的高温、高频交流场合，要求电容器需承受连续（正弦波）交流有效值电压Vrms或交流有效值电流Irms的能力要高。

　　因此，采用较低的方块电阻（一般为3.0Ω/□±30%）的铝金属作为电极材料，确保有良好的接触端面及良好的电流脉冲强度及较低的ESR，保证产品的耐大电流能力。

　　

　　4.2.2 产品结构的选择

　　由于该产品在使用过程中会长期工作在高频交流电压下，所以必须考虑产品的电晕问题。电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场，在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时，空气游离发生放电形成电晕。

　　因此，在考虑单串结构产品的起始电晕电压Ub≤300Va.c.的条件下，对不同的额定电压应考虑不同的串式结构设计（如图4所示），以提高产品的起始电晕电压。

　　4.3 灌封绝缘材料的选择

　　因该产品长期工作在高温、高频交流脉冲电压下，需要研制开发出一种耐高温特性、致密性、传热性能好的灌封料，经过多轮的对主剂A的成分以及各成分之间的配比、主剂B的成分以及各成分之间的配比、主剂A与固化剂B配比的实验摸索验证，研制出了一种新型的耐高温性能好，可自动灌封的高温固化黑色环氧树脂灌封料，把灌封该灌封料和普通灌封料的产品去做高温耐久性实验（如表3所示），该灌封料灌封的产品容量损失比常温料的损失小，并且性能远远满足GB/T 14579-93标准规定的等级1的要求。

　　

　　4.4 工艺控制

　　4.4.1 卷绕工艺的控制

　　因该产品在客户端上电路板时会先经过1分钟~2分钟的高温预烘，然后进行260℃，10s的波峰焊接，这里不同的客户有不同的要求，如：某知名照明客户的焊接曲线（如图5所示）。

　　所以对产品的高频损耗要求极高，并且产品经过高温耐焊接热后高频损耗不会变坏恶化。

　　影响产品高频损耗变坏的主要原因是金属电极蒸镀层与喷金层（电极引出层）之间的接触损耗。因此，如何控制好卷绕后芯子端面的质量问题非常关键，笔者针对端面质量问题，做了普通工艺和加严工艺两种实验方案作业产品的对比实验（见表4），根据实验数据可以看出，端面质量加严工艺生产的产品实验后容量损失、△tgδ100kHz的变化均比普通工艺条件的好。

　　所以，为了满足客户苛刻的要求，卷绕必须按照加严工艺对芯子端面的质量进行控制。

　　4.4.2 喷金工艺的控制

　　实际应用中，快速变化的电压脉冲会导致电容流过很大的峰值电流。这些大电流会在金属喷金层和金属膜之间的连接区域产生热损耗。为避免过高的温度对这些区域的损害，需提高产品的抗脉冲承受能力（很高的脉冲爬升速率dv/dt和脉冲特征K0值）。

　　因此，为了提高产品的耐dv/dt的能力，笔者经过多轮的实验验证（产品经过10倍GB /T14579-93标准实验条件快速充放电的耐dv/dt的能力测试（如表5所示）），选择了一种新型的附着力好、接触电阻低的无铅金属材料作为电极引出层，并且在喷涂过程中，加严控制了喷金的颗粒度、喷金的气压、喷金的电压、喷金的电流及喷枪的高度等关键因素，从而提高了产品的耐脉冲爬升速率 dv/dt的能力。

　　5.结论

　　经过笔者多轮的实验验证，再结合严格的特殊工艺控制，已经研制出该类型的产品，产品的各项性能均能符合GB/T 14579-93标准性能1级的要求，从而扩展了聚丙烯膜电容器的应用范围。目前，该产品的性能已经获得飞利浦等全球五大照明厂商的认可。