探究半T型三阶梯金属化安全膜电容器

探究半T型三阶梯金属化安全膜电容器

邓光昭

嘉善赛晶电容器有限公司，浙江省嘉兴市314000

摘要：随着电力电子技术的发展，各种电力变换、交流传动、储能电源等对直流大容量电容器的需求不断增加，由于铝电解电容在性能可靠性和寿命方面都存在许多不足，而金属化薄膜电容替代铝电解电容的趋势越来越明显，尤其是在节能和新能源领域的应用发展迅猛，这一最新动态无疑为金属化薄膜电容器生产企业提供了新的发展机遇。但由于金属化电容器存在过度自愈的问题，因此，金属化安全膜电容器应运而生，可是，现在市场上的金属化安全膜电容器大多存在损耗高、承受过电流能力弱及耐用性差的问题，因此，针对这些问题，本文对一种半T型三阶梯金属化安全膜电容器从多方面进行了探索研究。

关键词：半T型三阶梯、金属化安全膜、电力电子电容器

引言：金属化电容器是一种重要的电子元件，广泛应用于通信、能源、汽车、航空航天等领域。随着科技的不断进步和各行业需求的不断提高金属化电容器在性能、稳定性、可靠性等方面也面临着更高的要求。

目前，金属化膜电容器凭借其良好的自愈性、耐压性而越来越受到欢迎，而金属化膜就是其生产制造的最重要原材料。金属化膜镀层厚度越薄则其方阻越高，方阻高的膜自愈性能更为优异但通流能力差。反之镀层越厚则方阻越小，自愈能力降低但通流能力更好。当自愈过度时，短时间内积聚的大量自愈能量还会导致基膜受热熔化，最终导致整个元件热击穿，电容器损坏。安全膜的出现，可有效解决过度自愈的问题，安全膜采用分块蒸镀技术制成，其镀层由无数分割的模块单元组成，不同模块单元间由无金属镀层的绝缘件分隔，彼此仅以极细的熔丝相连，自愈能量过大时熔丝将熔断，自动切断该区域与周围模块的连接，为电容器提供了二次保护。但是金属化安全膜也存在着一些不足之处，因此，半T型三阶梯金属化安全膜电容器的出现顺应了社会发展的需求。

1、金属化安全膜电容器

1.1金属化电容器的定义及历史

电容器是三大电子被动元器件之一，是电子线路中重要的基础元件，约占全部电子元件用量的40%，产值约占66%。按照介质的种类，电容器可分为陶瓷电容器、电解质电容器、薄膜电容器、 云母电容器、空气电容器等类别，其中薄膜电容器是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，从两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造的电容器。而金属化电容器是指采用金属化聚合物或金属箔作为电极，以绝缘材料作为介质的一种电容器。

我国的电子工业是从20世纪50年代开始全面发展起来的，新中国成立后为了满足国家建设的需要，当时从苏联和民主德国引进了两家综合性电子元件工厂，其中包括两条金属化电容器生产线。从此我国开始了金属化电容器的开发和生产。这两条金属化电容器生产线的引进，为我国金属化电容器的发展打下了良好基础，同时也培养了大批专业人才。

1.2安全膜出现的必然性

采用安全膜结构的金属化膜电容器可有效防止电容器内部短路故障的发生，提高电容器的稳定性。安全膜采用分割式电极设计，将整张金属电极分割成许多小的分块，分块之间通过去金属化的绝缘带隔离，同时不同分块之间通过电流门相连接。当某一分块中发生击穿时，一方面在击穿点发生自息，另一方面，未击穿的分块中的电荷通过电流门流向击穿的分块。当出现短路性击穿时，此时电流门中流过的电流较大，而电流门由于无法承受大电流而熔断，从而使击穿分块与未击穿分块隔离开来，限制了击穿点的短路电流，使击穿点实现良好的自愈。未采用安全膜电极结构的金属化膜电容器在内部可能发生自愈失败而导致的"鼓肚甚至爆炸现象，而有研究表明采用安全膜结构的金属化膜电容器，即使电容量完全损失，电容器也不会出现明显“鼓肚”或者爆炸现象。

1.3金属化安全膜电容器的特点和应用

金属化安全膜电容器采用薄膜技术制造，相对于其他电容器，体积更小巧，能够适应于各种小型电子设备的需求。金属化安全膜电容器的温度系数很小，即在不同温度下电容值的变化很小。因此，它能够更好地保证电子设备的精度和稳定性。金属化安全膜电容器的频率特性比较好，能够在高频率下稳定工作，因此被广泛应用于高频电路中。

由于金属化安全膜电容器具有体积小、温度稳定性好、频率特性好等特点，它在各种电子设备中被广泛地应用。在电视机、电台、电报、电话机、传真机和移动通信等设备中，金属化安全膜电容器用作调谐、解调、滤波、耦合和相位移等电路的元件。在家用电器、办公用品、音响设备、电子手表等消费电子产品中，金属化安全膜电容器作为正负电流变化元件，使得电动机、照明灯、音响设备和电池等更加稳定。在自动控制领域中，金属化安全膜电容器可以作为扫描和缩小电压，稳定电压、激光打印仪等控制元件的工作。

2、传统金属化安全膜电容器介绍

2.1金属化聚酯安全膜电容器

作为电容器主要材料的安全膜是锌铝合金加厚边分区蒸镀的金属化聚丙烯薄膜，其与众不同的地方是把保障电容器安全所需的微型保险丝在蒸镀薄膜时一起镀在薄膜表面，每平方米达 2 万条之多、保险丝的反应非常灵敏，能有效地隔离电弱点的击穿部分，不向电容器的其他部分影响蔓延，因而不但使电容器比传统的压敏式防爆电容器更可靠，更安全，而且大大延长了电容器的使用寿命。安全膜的动作原理当作为电极的一部分蒸镀产生"保险动作"时，只有已破坏的部分蒸镀膜（分割电极）瞬间脱离电源。电容器只有微小的容量减少，而继续维持其机能。

2.2 T型金属化安全膜电容器

T型金属化安全膜是利用真空蒸镀技术，在有机薄膜表面蒸镀一层纳米级厚度的金属构成极板，典型的电极材料有铝、锌、锌铝合金等，而在极板沿金属化膜长度方向，有一条很窄的绝缘间隙除将极板的活动层与加厚层隔开，同时又用多条沿金属化膜宽度方向的绝缘间隙将金属化极板分割成很多宽度相等的平行四边形，即模块，各个模块通过熔丝将加厚层与活动层连接。因金属化安全膜的介质极大影响了电容器的损耗，而聚丙烯具有介质损耗小的优点，现将其作为介质广泛应用于金属化安全膜中，而为保留铝较好的附着力、表层氧化物阻止内部金属继续氧化的能力和锌在交流电压下良好电特性参数的优点。将铝合金蒸镀到聚丙烯薄膜上形成极板。

T型金属化安全膜电容器元件是由一定厚度和层数的T型金属化安全膜围绕绝缘芯棒卷绕而成。在元件的端部采用喷金工艺实现电容器电极的引出，左右两侧的喷金层分别与两个金属电极相连，若干个电容器元件通过焊接铜箔引线、串、并联起来从而形成整个电容器芯子。在完成电容器心子之后，将心子置于电容器外壳中，抽真空并灌注聚氨酯，从而实现电容器对外壳的绝缘，形成电容器。

2.3传统技术的缺陷

由于存在大量绝缘间隙，安全膜制成的元件的损耗远远大于同规格的普通金属化膜，工作时电容器发热更严重，而温度过高则会导致基膜耐压性能变差。同时，业内设计安全膜通常采用恒定方阻的镀层结构，而镀层极板上的电流却不是恒定不变的，这导致电流密度大的镀层位置处通流能力不够，承受过电流能力差，当遇到冲击电流时难以抵抗。此外，传统T型安全膜元件由于模块单元面积设计得比较大，熔丝熔断时，切断极板区域面积过大，因而电容损失过大。电容器长期连续运行时，电容值衰减过快，需频繁更换电容器以保证正常运行。

3、半T型三阶梯金属化安全膜电容器

3.1主要构造

半T型三阶梯金属化安全膜电容器，包括一个绝缘芯棒，以及层叠设置并卷绕，在绝缘芯棒外侧的第一，第二金属化安全膜。第一，第二金属化安全膜具有相同的结构。第一金属化安全膜包括一层基膜，一层设置在基膜上的金属镀层，以及多个间隔排列的T型绝缘件。第一金属化安全膜包括沿绝缘芯棒的中心轴方向依次排列的加厚区、低方阻区、中方阻区、高方阻区以及留边区。金属镀层设置在加厚区、低方阻区、中方阻区、高方阻区上。在垂直于绝缘芯棒的中心轴的截面上加厚区的厚度大于低方阻区的厚度，低方阻区的厚度大于中方阻区的厚度，中方阻区的厚度大于高方阻区的厚度，留边区的厚度等于基膜的厚度。T型绝缘件设置在中方阻区、高方阻区上且该T型绝缘件与低方阻区间隔设置，T型绝缘件与基膜相接触。在第一，第二金属化安全膜的展开状态下第一金属化安全膜的加厚区、低方阻区、中方阻区、高方阻区以及留边区与第二金属化安全膜的加厚区、低方阻区、中方阻区、高方阻区的排列方向相反，在沿绝缘芯棒的中心轴方向上第一金属化安全膜的留边区的端面与第二金属化安全膜的加厚区的端面间隔设置，且第二金属化安全膜的留边区的端面与第一金属化安全膜的加厚区的端面间隔设置。绝缘芯棒由绝缘塑料制成。基膜可以由聚丙烯材料制成。金属镀层可以由锌铝合金制成。T型绝缘件包围第一，第二金属化安全膜的一半区域。金属化安全膜在卷绕绝缘芯棒时，第一，第二金属化安全膜层叠放置，并且左右错边1～2mm。第一，第二金属化安全膜层叠放置时，金属化安全膜由低、高方阻区，或由中、高方阻区搭配使用。

3.2半T型三阶梯金属化安全膜电容器的优势

金属镀层的厚度相应调整，在电流大小的变换中可以保证各部分金属镀层上的电流密度基本一致，极大地提升了金属化安全膜承受电流的能力，进而使得第一，第二金属化安全膜的损耗降低。T型绝缘件只设置在中方阻区与高方阻区上，使得第一，第二金属化安全膜上的绝缘物质大量减少且由T型绝缘件分割的各个镀膜区域的面积也相应变小，从而在某块镀膜区域被切断时，损失的电容也相应变小，进而使得电容器更加的耐用。

结语：随着电力电子电容器领域的不断发展和扩大，金属化电容器市场正处于快速增长的阶段，且中国市场具有较大的潜力。因此，有助于金属化电容器稳定持续发展的半T型三阶梯金属化安全膜的市场份额也将不断增加，为此，相关企业要不断对新技术进行探索研究，以满足市场需求，推动相关行业和本公司的发展。

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