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新型高储能密度高压电容器



  应用碰撞电离退陷阱理论和针对箔式电容器的缺陷 ,提高电容器的储能密度可从以下方法入手:
 
  (1) 设法减小电极附近的场强或采用具有高逸出功的金属电极 ,使由电极进入绝缘介质的电子数减少 ,从而减少碰撞电离的几率;
 
  (2) 剔除由电弱点导致的绝缘薄膜击穿通道 ,使其它未含击穿点的薄膜能继续使用。
 
  鉴于此 ,作者采用了以下两种技术:
 
  (1) 将高介电常数薄膜(如聚酯膜) 与低介电常数薄膜(如聚丙烯膜) 组成复合绝缘 ,利用高介电常数的薄膜在电极周围形成低电场区 ,从而抑制自由电子的产生;
 
  (2) 采用膜上金属化电极技术。金属化膜的电极厚度仅 0 . 01μm 左右。当金属化膜发生击穿后 ,储存在电容器中的能量迅速经此短路点释放 ,瞬间巨大的电流流经短路点 ,产生的热能在瞬间将击穿点周围的电极蒸发 ,从而在上下电极间形成沿面绝缘 ,保证整个电容器能恢复绝缘 ,从而能继续工作。这种电容器能有效限制电弱点的影响。
 
  4. 1金属化膜电容器
 
  要保证金属化膜电容器能在高场强下正常工作 ,必须使其在每次击穿时都能实现良好的自愈 ,即金属电极迅速蒸发 ,且击穿点处膜的烧蚀是小范围的 ,否则会发生贯穿性击穿。因此 ,要求自愈时所用能量应尽量小。当能量过大时 ,自愈电流过大 ,造成击穿通道的大面积烧蚀 ,影响到其它绝缘层 ,造成永久性的击穿。实验结果表明 ,金属化膜自愈能量可表示为
 
  式中: C 为电容量; t 为蒸镀金属层厚度; U 为施加的电压。
 
  由(4) 式可以看出 ,金属化膜电容器通常工作于低压交流条件 ,在高压条件下需要克服自愈能力差的问题。作者研制的这种电容器的击穿场强超过 550V/μm ,采用串联结构实现较高的工作电压。实验结果表明 ,
 
  当充电后电场强度达到 400V/μm 时 ,单台容量为 18 . 5μF 的电容器的充放电寿命大于 30 000 次 ( 放电周期 112ms ,放电电压反峰系数为 10 %) ,此时电容器整体的储能密度超过 800J / L 。
 
  4. 2混合型电容器
 
  金属化膜电容器具有自愈性能 ,但由于端部喷金等原因 ,产生两个缺点:卷绕时元件紧凑 ,导致浸渍不彻底使膜的击穿强度降低;端部通流能力差。箔式电容器不存在这些问题 ,但其无法自愈 ,因此也限制了它的工作场强。如果能将这两种电容器的优点结合起来 ,则可大大提高电容器的工作场强和可靠性。与传统的高压箔式电容器相比 ,这种方案将原来的两个铝箔电极中的一个用金属化膜上蒸镀的金属层取代 ,绝缘介质采用不同介电常数的薄膜混合而成。采用内串结构 ,引出线均从铝箔引出 ,其结构如图 3 所示。
 
  初步试验结果表明 ,由于得到了彻底的浸渍 ,这种结构的电容器元件具有较高的击穿场强 ,电容器绝缘介质平均击穿场强达到 20V/μm 以上。在 380V/μm 的工作电压下 ,电容器的储能密度超过 500J / L ,优化绝缘结构后 , 储能密度可以更高。这种结构的电容器具有金属化电容器的自愈性能及箔式电容器的大通流能力。

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