薄膜电容器的研究与设计.pdf

0引言电容器的发展与电介质性能的提升有着不可分割的联系1。早在一战时期，美国研究人员发明纸介质电容器，极间固体电介质为牛皮纸，浸渍介质选择石蜡和食用油，极板选择为锡箔。再后来就发展为以电容器纸为固体介质、铝箔为极板的组合方式。1938 年聚丙烯薄膜发明于世，直到 20 世纪60 年代中期，国外尝试将聚丙烯薄膜应用于电容器2-8。起初在电容器中采用薄膜与电容器纸复合的固体介质（简称膜纸复合介质）。再到 20 世纪 70 年代中期，国外固体介质开始采用纯聚丙烯薄膜（简称全膜介质）方式。因电容器技术的发展，电容器用聚丙烯薄膜种类迅速增加，制造技术和性能也不断进行改进和提高。用在电力电容器9的聚丙烯薄膜都是双轴定向的等规结构薄膜。目前常用的有用于膜纸复合介质电容器的光膜、适用于全膜介质高压电容器的粗化膜、制造自愈式电容器的金属化薄膜等种类10-21。全膜介质电容器已成为电容器的主流方向，因此，薄膜电容器的研究具有重要意义。1薄膜电容分析1.1场强电场是一种特殊物质，电场强度是描述电场性质的物理量。根据库伦定律22，源电荷 Q 对其相距为 r 的位置激发的电场强度 E，从电场力的方向分析，可由试验电荷 q 在该点处的受力与其电荷量的比值来计算。F=kQqr2（1）E=Fq=kQr2=Q40r2（2）式中：k 为静电常量，理论计算值为 8.987 551109，Nm2/C2；0为真空电容率。对于均匀对称平板，电荷 q 在平板上均匀分布，其面电荷密度记为，由高斯定理22可知平板电场强DOI：10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.007 收稿日期：20220519薄膜电容器的研究与设计王祥，徐佩，江龙祥，朱飞，盛健（安徽铜峰电子股份有限公司，安徽 铜陵244000）摘要：为了有效解决薄膜电容器生产中薄膜尺寸和卷制圈数的问题，本文主要研究了多串膜结构薄膜电容器的理论设计，采用原理分析和公式推导方法从平行板电容工作原理到多串膜结构薄膜尺寸和卷制圈数设计，最后通过全自动卷绕机和电容测试仪验证电容量和卷制圈数关系式，实现对卷制生产活动的有效指导和多串膜电容的合理设计。关键词：多串膜；薄膜电容；理论设计Research and Design of Thin Film CapacitorWANG Xiang，XU Pei，JIANG Longxiang，ZHU Fei，SHENG Jian（Anhui Tongfeng Electronics Co.，Ltd.，Anhui Tongling 244000，China）Abstract：For solving the problem of film dimension and winding number during the production of filmcapacitor，the theoretical design of film capacitor with multiserial film structure is mainly researched inthis paper.The principle analysis and formula derivation method from the working principle of parallelplate capacitor to the design of multiserial film structure film size and winding number are used.Finally，the relationship between the capacitance and the number of winding turns is verified by the automaticwinding machine and the capacitance tester so to effectively guide the winding production activities andreasonably design the multiserial film capacitor.Keywords：multiserial film；thin film capacitor；theoretical design第44卷第3期：0052-00572023年6月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44，No.3：0052-0057Jun.2023电容器 522023年第3期（总第207期）王祥，等薄膜电容器的研究与设计度计算公式为EdS=dS0（3）E=20（4）1.2平行板电容对于平行板电容器，在其极板间施加电压 U 时，极板上分别感应出正电荷量为 Q 和负电荷量-Q，忽略电场的边缘效应，极板之间为均匀分布电场 E，平行板电容 C 的计算公式为C=QU（5）从电场强度的电势方向分析，场强可由极板间电压与极板距离计算，单位为 V/m；平板电容器的极板面积为 S，面电荷密度为，极板间距为 d，进而推导真空状态下平板电容量的计算公式为E=Ud（6）Q0=SEdS（7）C=0Sd（8）从上式分析，平板电容量 C 与极板相对面积 S，极板间距 d 和真空电容率0有关，在实际应用过程中，极板间加入相对电容率为r的电介质，电介质极化在介质表面聚集与极板属性相反的正负电荷，极板间场强为E，加入电介质的平板电容器电容量计算公式为E=Er（9）C=0rSd（10）1.3电容能量与储能因素电容器 C 在零状态时施加直流电压 U，电容器两极集聚电荷，两端电压增加至 U，此时电容器所储存的电能为WC，计算公式为WC=-tu()Cdu()dd=12Cu2(t)|t-=12CU2（11）由电容器的储能公式进行变形改写为WC=120VrE2（12）式中：V 为有效体积；r为相对电容率。分析可知，电容在完成结构设计之后，有效体积V不变，储能与电介质和场强有关，即储能因素rE2。在电容 C 确定之后，有效体积与储能因素成反比，选择相对电容率较大和允许工作场强高的电介质，减小电容器的体积，可以节省材料，提高电容器的比特性。2薄膜电容器设计薄膜电容器在实际生产中，通常采用长膜卷绕成圆柱形式，展开后就是平行板电容器23。极板有采用铝箔加基膜的组合形式，有金属化膜形式，还有铝箔、金属化膜和基膜的混合形式。金属化膜是通过真空蒸镀技术将金属层（常用锌、铝或锌铝复合，nm 级厚度）蒸镀在基膜（m 级厚度）上，形成电极与电介质的复合结构。2.1薄膜设计选择合适的薄膜和极板是设计电容器的核心部分。根据极板材料的不同，分为铝箔电极油浸纸电容器（传统）和金属化膜自愈式电容器（新型），两者对比见表 1。表1电容器参数对比Table 1Parameter comparison of capacitor类别铝箔电极油浸纸金属化膜自愈式单台容量/kvar5165120损耗tan0.004 00.000 5比特性/（kg/kvar）1.500.13是否浸油浸油干式或浸油金属化膜自愈式电容器的主要优点是单台容量大、介质损耗小、材料消耗少、制造成本低，基本取代传统铝箔为极板的油浸纸介质电容器。聚酯薄膜和聚碳酸酯薄膜为极性介质，在交变电场作用下发生偶极式极化导致电容器损耗角正切值较大，所以金属化膜一般采用 512 m 厚表面经电晕处理的专用聚丙烯薄膜24作基膜，在真空镀膜机中蒸镀上 0.020.05 m 厚金属层。蒸镀金属可以是铝、锌、银或其复合层。铝金属化薄膜储存时间较长，但运行年损失率较高，锌金属化薄膜正好相反，铝锌复合金属化薄膜的性能较好，研究发现，铝质量分数为 2%10%时性能较佳。电容元件由两层金属化膜卷成，金属化膜基膜为电介质，金属层为极板。薄膜的材料需要根据实际工作温度25、使用工况26、客户需求、成本分析等综合条件确定，同时需要满足国家相关标准27-29规定。薄膜的厚度取决于工作场强，宽度取决于实际需要。薄膜卷制后依然等效成平行板电容器，忽略边缘效应，极板双侧电介质极化且极化强度相等，简称双侧极化，在电容量计算时考虑双侧极化需要修正双侧极化系数。极板集聚正电荷时，两侧极板集聚负电荷，忽略基膜制造工艺误差，金属层无损伤、弱点等，认为 532023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷极板两侧介质电极化效果一致，两侧介质内电场均匀分布。卷制电容量理论公式为C=p0rSd（13）式中，p 为双侧极化系数。薄膜电容 C 的理论计算公式为C=0flp0rfwdld（14）式中：fw为薄膜宽度；fl为薄膜长度。通过设置自动卷绕机的卷制圈数，达到合适的薄膜长度，便可以获得目标电容元件；或是通过电容量确定卷绕圈数，二者待定其一。2.2卷形简化薄膜在自动卷绕机上匀角速度卷制时，其路径是绕卷轴的复合运动30，可以分解为卷轴匀速圆周的牵连运动和薄膜卷绕贴合点匀速直线远离轴心的相对运动，绝对运动轨迹为阿基米德螺旋线，见图 1。其相对运动速度计算公式为vr=ftw0（15）式中：ft为薄膜厚度；w0为自动卷绕机匀速转动时的角速度。图1螺旋线简化Fig.1Spiral simplificationft为 512 m 的微米级厚度，阿基米德螺旋线螺距为m 级，在转轴卷绕一个周期的薄膜可以等效成圆形膜圈，薄膜卷绕形成的阿基米德螺旋线就可以简化为同心圆线。这种简化给薄膜电容器理论计算和设计带来极大方便。2.3多串膜结构设计在实际高电压工况下，由于基膜厚度限制，为保证薄膜电容器的安全工作场强，通常采用多串膜结构设计。多串膜结构在作图示意时相对繁琐，且在分析时容易被错杂线条干扰，为简化这种多串膜结构图示，笔者引入极化简图概念。在实际设计薄膜电容器过程中，通常需要画出电容器的极板与薄膜，极板有铝箔和金属层，其结构各异；基膜为次要构成。笔者定义一种简化示意图：以金属化膜为例，切开金属化膜，正视其断面（横截面），假设在薄膜电容器两极从左至右施加直流电压，隐去基膜，用合适长度直线代替极板，在极板间用带箭头直线画出电场线。这种在薄膜电容器设计中简化表示的示意图称为极化简图，见图 2。图2五串膜极化简图Fig.2Five-serial film polarization diagram以金属化膜为例，n（奇数）串膜结构设计需要薄膜在真空蒸镀过程中使用油屏挡板在膜长方向留出等距等宽度的中留边 M，单侧留边量 S，两膜相对错边量为 e，如图 2，5 串膜极化简图所示，且极板长度满足式（16），由于极板有效宽度的改变，忽略边缘效应，电容量理论计算公式为A=e+S+B-M2（16）nC=0flp0rfw-2S-e-(n-1)Mdlnd（17）以金属化膜为例，n（偶数）串膜结构设计需要一对特殊设计的宽膜和与宽膜严格匹配的窄膜，宽膜稍微比窄膜多一点，这个宽度微量差记为 2。宽膜和窄膜在真空蒸镀过程中使用油屏挡板在膜长方向留出等距等宽度的中留边 M，窄膜在两侧还要留边为 T，宽窄膜在卷绕时长度方向的中心线保持重合。图 3 为 6 串膜极化简图，极板中轴线重合，极板长度严格限定如式（18），fw为窄膜宽度，由于极板有效宽度的改变，忽略边缘效应，电容量理论计算公式如式（19）所示。图3六串膜极化简图Fig.3Six-serial film polarization diagramA=T+B-M2（18）nC=0flp0rfw-2T-(n-1)Mdlnd（19）从提高电容器的极板厚度角度出发，可以将宽膜设计成双极板形式，在基膜两面镀上金属层，此时基膜可换成低电性能参数的电容器用薄膜，降低 542023年第3期（总第207期）王祥，等薄膜电容器的研究与设计制造成本，卷绕时增加一层基膜用以隔开金属层。根据高斯定理，电荷激发空间电场符合叠加定理，忽略边缘效应，电容量理论计算公式在式（19）上利用组合介质特性修正公式（20）。式中 r2和 d2是宽膜（双面金属化膜）的相对电容率和厚度。nC=0fl1+r2dr2d+rd2p0r