賈建州

【摘要】節(jié)能燈用金屬化薄膜電容器受電流沖擊大，通過分析流過金屬化薄膜電容器的脈沖電流、dv/dt，提出影響金屬化薄膜電容器脈沖能力的因素，在設(shè)計(jì)上提出了提高金屬化薄膜電容器脈沖能力的途徑，采用小間距邊緣加厚波浪邊的鋁金屬化膜，噴涂金屬鋁作為金屬化電極的過渡層，可以大幅度提高金屬化薄膜電容器的抗脈沖能力。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能燈;金屬化薄膜電容器;電沖擊;脈沖電流;dv/dt;脈沖能力;鋁金屬化膜;邊緣加厚;波浪邊;噴鋁

節(jié)能燈具有光效高、顯色好、使用電壓寬、壽命長(zhǎng)，體積小，使用簡(jiǎn)便，是現(xiàn)代室內(nèi)照明的典型光源。緊湊型電子節(jié)能熒光燈是由異形節(jié)能熒光燈管、電子節(jié)能鎮(zhèn)流器所組成的，這種結(jié)構(gòu)的燈具，將小型電子鎮(zhèn)流器安裝于燈具全密封塑殼中。

圖1 節(jié)能燈電路圖

圖1是一款典型的緊湊型電子節(jié)能熒光燈電路圖，負(fù)載諧振電路C4工作頻率大于20KHz，有的甚至高達(dá)75KHz，需要承受相當(dāng)大的脈沖電流。另外節(jié)能燈頻繁的開關(guān)，電容器還需要承受很大的電流沖擊，節(jié)能燈要正常工作8000小時(shí)以上不失效，因此要求C4電容器耐高溫度、小體積、高頻損耗小、抗脈沖能力強(qiáng)、長(zhǎng)壽命。

1.電容器的脈沖能力

通過金屬化薄膜電容器（后面簡(jiǎn)稱電容器）的脈沖電流（峰值電流用IP表示）等于電容量與電壓爬升速率的乘積，即：

Ip=C×dv/dt（A） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

電路中 ? ? ? ?（2）

（3）

其中中C為電容量（μF）、U0電容充電電壓（V）、dv/dt—電壓爬升速率（V/μS）、L電路中的電感量（μH），對(duì)于固定容量值的電容器，其承受的最大脈沖峰值電流和dv/dt成正比，dv/dt越大表明電容器抗脈沖峰值電流的能力越強(qiáng)，反之電容器的抗脈沖峰值電流的能力就弱。

對(duì)于卷繞型金屬化電容器，其電容量C為：

（4）

式中C—電容量（μF）、ε—介質(zhì)的介電常數(shù)、b—有效寬度（mm）、L—有效長(zhǎng)度（m）、d—介質(zhì)厚度（μm）。

將（4）帶入（1）：

（5）

現(xiàn)定義有效載流峰值電流面密度為IS：

（6）

d0為有效載流峰值電流厚度，L0為有效載流峰值電流長(zhǎng)度，由（6）得：

（7）

從（3）、（7）可得dv/dt與電路中充電電壓成正比，與電路中的LC平方根成反比，與電容器的介質(zhì)介電常數(shù)ε成反比，與介質(zhì)厚度成正比，與有效載流厚度成正比、與有效載流長(zhǎng)度成正比，所以電容器承受脈沖的能力與金屬化膜介質(zhì)類型（聚脂PET、聚丙稀OPP、聚萘乙酯PEN、聚苯硫醚PPS等）、介質(zhì)的厚度、寬度、金屬化電極所用的金屬材質(zhì)（鋁、鋅鋁）、金屬化鍍層的厚度（方阻）有關(guān)。

2.提高脈沖能力的途徑

金屬化膜電容器的電極是由真空蒸鍍?cè)谟袡C(jī)薄膜上一層鋁或者鋅鋁做電極，厚度很薄一般僅20nm～100nm，卷繞后的芯子通過端面噴涂金屬、焊接引出線將金屬化電極引出，如圖2所示。

圖2

圖3 充放電電路

圖4 放電電壓波形

圖2中金屬化電極、噴金層、引出線電阻遠(yuǎn)小于噴金層和金屬化電極間的接觸電阻，因此在長(zhǎng)時(shí)間大的脈沖電流沖擊時(shí)，噴金層和金屬化電極接觸處電流密度最大，也最容易發(fā)熱，緊湊型節(jié)能燈燈殼內(nèi)溫度高，有的甚至超過了100℃，電容器所處的高溫環(huán)境加上芯子內(nèi)部持續(xù)的發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)膜受損，接觸點(diǎn)的金屬層燒毀氧化，這樣一來噴金層與金屬化電極接觸電阻進(jìn)一步升高，發(fā)熱能量更大，如此循環(huán)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品最終失效，因此電容器抗脈沖能力和介質(zhì)類型噴涂用的金屬材質(zhì)（鋅、錫鋅、鋁）、金屬化膜邊緣分切方式（直切、波浪切），噴金材料與金屬化電極的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)，在設(shè)計(jì)上要優(yōu)先考慮以下因素。

2.1 介質(zhì)類型

目前運(yùn)用最為廣泛的介質(zhì)為聚脂（PET）和聚丙?。∣PP），雖然聚丙稀的介電常數(shù)小更適合做脈沖電容器，但聚丙稀耐熱差，在緊湊型節(jié)能燈中采用聚脂膜更有優(yōu)勢(shì)，使用聚脂膜膜作電容器尺寸小、耐熱性好。

2.2 結(jié)構(gòu)

采用小間距、比較厚的金屬化膜，可以減小有效寬度，提高有效載流長(zhǎng)度，提高dv/dt值，提高電容器的脈沖的能力，但在實(shí)際中由于客戶對(duì)電容器尺寸有一定的要求，所以要選取適當(dāng)?shù)慕饘倩さ暮穸?、寬度?/p>

2.3 金屬化電極的選取

金屬化電極最常用的材料為鋁和鋅鋁，由于鋅性能比較活潑，在高溫下容易氧化，所以常用鋁作為金屬化電極材料;另外金屬化鍍層要有一定的厚度，才能承受較大的電流，但鍍層太厚會(huì)導(dǎo)致電容器自愈能力下降，耐電壓下降，因此采用適當(dāng)?shù)慕饘倩儗拥暮穸龋ǔＳ梅阶璞硎荆┦潜匾?，而采用邊緣加厚的方法，既可以提高有效載流厚度，又能滿足電容器自愈要求。

2.4 噴金材料

噴金所選取的材料與鍍層金屬的晶格結(jié)構(gòu)屬同一晶系的成份時(shí)，有助于二者結(jié)合，提高其機(jī)械強(qiáng)度，噴金料中的主要成份的電極電位與金屬鍍層的電極電位相接近，有利于減小二者之間作為歐姆接觸引起的電位差，這樣可獲得電氣良好的接觸。從而提高電容器的脈沖能力，所以在選用噴金材料時(shí)要與金屬化電極材料一起考慮。

2.5 波浪邊

金屬化膜邊緣采用波浪邊，可以大大提高噴金與金屬鍍層的連接強(qiáng)度，減少噴金層和金屬化電極間的接觸電阻，這個(gè)已被越來越多的電容器廠家所采用。

3.試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

為了驗(yàn)證，筆者對(duì)節(jié)能燈常用規(guī)格CL21-250V-47nF采用聚脂膜5μm厚度，選擇不同寬度、有無加厚的金屬化鋁膜，采用兩次噴涂法，第一次噴鋁作為金屬化電極的過渡層，第二次噴錫鋅作為焊接用的焊接層，做成電容器后進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)方案見表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

方案 間距（mm） 金屬化膜 噴涂

A 10 鋁膜無加厚 鋅

B 7.5 鋁膜無加厚 鋅

C 7.5 鋁膜加厚 鋅

D 7.5 鋁膜加厚 鋁

E 7.5 鋁膜加厚波浪邊 鋁

表2 芯子尺寸（mm）

腳距 寬度 高度 厚度

10 9.5 4.7 1.5

7.5 7.0 5.3 2.2

表3 測(cè)試結(jié)果

方案 充放電次數(shù)后不合格數(shù)量

5 20 50 100 500 1000

A 0 5 - - - -

B 0 3 5 - - -

C 0 1 1 3 4 5

D 0 0 0 1 2 5

E 0 0 0 0 0 0

按照?qǐng)D3充電電壓1000V，充電1s放電1s，電阻R2為短路狀態(tài)，電感L為0.07μH，測(cè)試5只產(chǎn)品，容量變化率△C/C≤5%，損耗角正切值1KHz tgδ≤0.7為合格，測(cè)試結(jié)果見表2所示。

實(shí)測(cè)放電電壓波形（如圖4所示）dv/dt= 18000V/μS，通過電容器的脈沖峰值電流高達(dá)846A，方案A經(jīng)過20次充放電后全部失效，B、C、D隨著充放電次數(shù)的增加陸續(xù)失效，只有E方案在1000次充放電后仍全部完好。

方案A和B只有間距不同，可以看到間距小的產(chǎn)品抗脈沖能力比要好，金屬化膜邊緣加厚后電容器的抗脈沖電流的能力明顯提高，噴鋁的電容器抗脈沖能力優(yōu)于噴鋅的，采用噴鋁波浪分切后電容器的抗脈沖能力大幅度提升，主要原因就是噴涂的鋁和金屬化鋁電極是同一種材料，它們間結(jié)合強(qiáng)渡高，而波浪邊更加提高了噴金層和金屬化電極的連接強(qiáng)度。

圖5 失效樣品金屬化膜邊緣鍍層損失

從失效樣品解剖看，全部是邊緣鍍層損失了（如圖5所示），主要原因就是和噴金接觸的地方受到大電流連續(xù)的沖擊，接觸處發(fā)熱鍍層被燒蝕。

4.結(jié)論

小間距增加了金屬化薄膜電容器的抗脈沖能力，金屬化膜邊緣加厚可降低了受電流沖擊后鍍層損失，噴鋁優(yōu)于噴鋅的產(chǎn)品，而采用波浪邊后電容器抗脈沖能力得到了大幅度的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]李家壽.電容器所能承受的脈沖電壓斜率[J].電力電容器，2006（2）：31-33.