新型耐高溫金屬化聚丙烯膜材料的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　本文采用新型耐高溫金屬化聚丙烯膜材料作為介質(zhì)和電極，采用高溫絕緣環(huán)氧樹脂灌封料進(jìn)行封裝，采用加嚴(yán)的制作工藝，設(shè)計(jì)出耐高溫（上限類別溫度為125℃）的金屬化聚丙烯膜介質(zhì)交流脈沖電容器，擴(kuò)展了聚丙烯膜電容器的應(yīng)用范圍。

　　1.緒言

　　隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，21世紀(jì)的能源問題越來越引人矚目，全球各個(gè)行業(yè)都在大張旗鼓的節(jié)能，照明行業(yè)就是其中的一部分，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，照明用電量很大，因而節(jié)能潛力巨大，這給照明行業(yè)的元器件供應(yīng)商提供了商機(jī)和挑戰(zhàn)。電容器行業(yè)就是其中的一個(gè)受益者，特別是在白熾燈、電感式鎮(zhèn)流器被禁用，隨著緊湊型節(jié)能燈、電子式鎮(zhèn)流器及第四代照明光源或綠色光源LED快速發(fā)展的情況下，研發(fā)長(zhǎng)壽命、高功率電子產(chǎn)品是照明行業(yè)的新的發(fā)展趨勢(shì)。

　　本文主要是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路上淺談如何設(shè)計(jì)出額定溫度為105℃，工作溫度范圍為-55℃~+125℃的耐高dv/dt脈沖爬升速率的耐高溫聚丙烯膜交流脈沖電容器。

　　2.市場(chǎng)調(diào)查

　　該類產(chǎn)品主要應(yīng)用于照明市場(chǎng)的電子鎮(zhèn)流器和LED中，市場(chǎng)需求量比較大，風(fēng)險(xiǎn)性小，客戶群主要有飛利浦等全球五大照明廠商，典型的應(yīng)用電路如下：

　　2.1 電子鎮(zhèn)流器

　　主要分歐洲電路（如圖1所示）和美國電路（如圖2所示）兩種。

　　a.歐洲電路：用在C6、C7、C9位置，C6、C7起緩沖作用，C9位置起諧振作用；

　　b.美國電路：用在C6、C7、C8位置，C6起脈沖推動(dòng)、C7起諧振作用，C8位置起限流作用；

　　2.2 LED節(jié)能燈電路（如圖3所示）用在C6、C8、C9位置，C6、C9起吸收作用，C8起諧振作用。

　　3.技術(shù)要求

　　氣候類別：55/125/56

　　額定溫度：105℃

　　類別電壓：UC=0.75UR

　　壽命（高溫耐久性）實(shí)驗(yàn)：1.25UR，105℃，2000h;

　　要求（GB/T14579-93（IEC 60384-17-1987）：

　　△C/C≤5%，△tgδ10kHz≤0.0015.

　　dV/dt試驗(yàn)：

　　充電電壓（Vd.c.）：UR;放電電阻（Ω）：

　　Rd=短路，充放電次數(shù)：100000次4.產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝控制

　　4.1 介質(zhì)材料的選定

　　聚丙烯材料以其介質(zhì)損耗低，穩(wěn)定性好，體積電阻率高，吸水率低，熱收縮率小等特點(diǎn)，比較適合用在交流與脈沖應(yīng)用場(chǎng)合。目前聚丙烯膜根據(jù)不同的使用要求，分為普通聚聚丙烯膜，高溫聚丙烯膜，現(xiàn)把它們的性能對(duì)比見表1、表2.

　　根據(jù)表1、表2的對(duì)比，我們采用耐溫性能、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱收縮率好的高溫聚丙烯膜具作為該類電容器的電介質(zhì)。

　　4.2 金屬化膜極板及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的選擇

　　4.2.1 金屬化膜鍍層材料及方阻的選擇

　　電極在電容器中起著聚集電荷的作用，它的形式隨著電容器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合的不同而不同，本文研究的產(chǎn)品主要是應(yīng)用在照明行業(yè)中的高溫、高頻交流場(chǎng)合，要求電容器需承受連續(xù)（正弦波）交流有效值電壓Vrms或交流有效值電流Irms的能力要高。

　　因此，采用較低的方塊電阻（一般為3.0Ω/□±30%）的鋁金屬作為電極材料，確保有良好的接觸端面及良好的電流脈沖強(qiáng)度及較低的ESR，保證產(chǎn)品的耐大電流能力。

　　4.2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的選擇

　　由于該產(chǎn)品在使用過程中會(huì)長(zhǎng)期工作在高頻交流電壓下，所以必須考慮產(chǎn)品的電暈問題。電暈的產(chǎn)生是因?yàn)椴黄交膶?dǎo)體產(chǎn)生不均勻的電場(chǎng)，在不均勻的電場(chǎng)周圍曲率半徑小的電極附近當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，空氣游離發(fā)生放電形成電暈。

　　因此，在考慮單串結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的起始電暈電壓Ub≤300Va.c.的條件下，對(duì)不同的額定電壓應(yīng)考慮不同的串式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖4所示），以提高產(chǎn)品的起始電暈電壓。

　　4.3 灌封絕緣材料的選擇

　　因該產(chǎn)品長(zhǎng)期工作在高溫、高頻交流脈沖電壓下，需要研制開發(fā)出一種耐高溫特性、致密性、傳熱性能好的灌封料，經(jīng)過多輪的對(duì)主劑A的成分以及各成分之間的配比、主劑B的成分以及各成分之間的配比、主劑A與固化劑B配比的實(shí)驗(yàn)摸索驗(yàn)證，研制出了一種新型的耐高溫性能好，可自動(dòng)灌封的高溫固化黑色環(huán)氧樹脂灌封料，把灌封該灌封料和普通灌封料的產(chǎn)品去做高溫耐久性實(shí)驗(yàn)（如表3所示），該灌封料灌封的產(chǎn)品容量損失比常溫料的損失小，并且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足GB/T 14579-93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的等級(jí)1的要求。

　　4.4 工藝控制

　　4.4.1 卷繞工藝的控制

　　因該產(chǎn)品在客戶端上電路板時(shí)會(huì)先經(jīng)過1分鐘~2分鐘的高溫預(yù)烘，然后進(jìn)行260℃，10s的波峰焊接，這里不同的客戶有不同的要求，如：某知名照明客戶的焊接曲線（如圖5所示）。

　　所以對(duì)產(chǎn)品的高頻損耗要求極高，并且產(chǎn)品經(jīng)過高溫耐焊接熱后高頻損耗不會(huì)變壞惡化。

　　影響產(chǎn)品高頻損耗變壞的主要原因是金屬電極蒸鍍層與噴金層（電極引出層）之間的接觸損耗。因此，如何控制好卷繞后芯子端面的質(zhì)量問題非常關(guān)鍵，筆者針對(duì)端面質(zhì)量問題，做了普通工藝和加嚴(yán)工藝兩種實(shí)驗(yàn)方案作業(yè)產(chǎn)品的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見表4），根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，端面質(zhì)量加嚴(yán)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)后容量損失、△tgδ100kHz的變化均比普通工藝條件的好。

　　所以，為了滿足客戶苛刻的要求，卷繞必須按照加嚴(yán)工藝對(duì)芯子端面的質(zhì)量進(jìn)行控制。

　　4.4.2 噴金工藝的控制

　　實(shí)際應(yīng)用中，快速變化的電壓脈沖會(huì)導(dǎo)致電容流過很大的峰值電流。這些大電流會(huì)在金屬噴金層和金屬膜之間的連接區(qū)域產(chǎn)生熱損耗。為避免過高的溫度對(duì)這些區(qū)域的損害，需提高產(chǎn)品的抗脈沖承受能力（很高的脈沖爬升速率dv/dt和脈沖特征K0值）。

　　因此，為了提高產(chǎn)品的耐dv/dt的能力，筆者經(jīng)過多輪的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（產(chǎn)品經(jīng)過10倍GB /T14579-93標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件快速充放電的耐dv/dt的能力測(cè)試（如表5所示）），選擇了一種新型的附著力好、接觸電阻低的無鉛金屬材料作為電極引出層，并且在噴涂過程中，加嚴(yán)控制了噴金的顆粒度、噴金的氣壓、噴金的電壓、噴金的電流及噴槍的高度等關(guān)鍵因素，從而提高了產(chǎn)品的耐脈沖爬升速率 dv/dt的能力。

　　5.結(jié)論

　　經(jīng)過筆者多輪的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再結(jié)合嚴(yán)格的特殊工藝控制，已經(jīng)研制出該類型的產(chǎn)品，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能均能符合GB/T 14579-93標(biāo)準(zhǔn)性能1級(jí)的要求，從而擴(kuò)展了聚丙烯膜電容器的應(yīng)用范圍。目前，該產(chǎn)品的性能已經(jīng)獲得飛利浦等全球五大照明廠商的認(rèn)可。