廈門法拉電子股份有限公司 周鵬飛

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MMKP81系列電磁爐用諧振電容器應(yīng)用技術(shù)總結(jié)

廈門法拉電子股份有限公司 周鵬飛

【摘要】本文討論了電磁爐應(yīng)用及安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對電磁爐用諧振電容器的要求，總結(jié)了MMKP81系類電容器在研制過程中攻克的技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)測試驗(yàn)證，采用聚丙烯膜作為介質(zhì)的雙面金屬化內(nèi)串設(shè)計(jì)MMKP81系列電磁爐諧振電容器，能夠滿足電磁爐諧振應(yīng)用的高頻、耐高壓、大電流及耐高溫的工作要求。

【關(guān)鍵詞】電磁爐用諧振電容器；MMKP81；變頻

1　前言

這些年來，國際油價(jià)急速飚升，使中國各行各業(yè)的燃料消耗成本越來越大，國家節(jié)能減排綜合管理整治工作也深入開展，綠色、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品將逐漸成為大勢所趨，商務(wù)部統(tǒng)計(jì)，中國2010年度節(jié)能低碳產(chǎn)品市場容量突破3000億元，而電磁爐在這幾點(diǎn)是尤為突出，比傳爐具節(jié)省50%以上的費(fèi)用！真正的為企業(yè)老板省錢，賺錢，并可為人類節(jié)約不可再生資源油、氣、煤等。利在當(dāng)代，功在千秋。加上無明火、無熱輻射、無煙、無灰、無污染、不升高室溫、不怕風(fēng)吹、不會(huì)爆炸或?qū)е職怏w中毒，不產(chǎn)生CO、CO2、SO3等有害物質(zhì)，環(huán)境得到保護(hù)。廚房清靜、清潔、清爽，讓廚師感覺安逸而身心健康，是名副其實(shí)的節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品！

近年來電磁爐已成為中國市場上增長速度最快的小家電之一。自1957年電磁爐在德國誕生以來，逐漸流行于歐美等地，目前的家庭普及率已達(dá)80%，已經(jīng)完全能夠與微波爐和燃?xì)庠睢胺滞タ苟Y”。由于電磁爐的多功能性將使其成為最具潛力的微波爐和燃?xì)庠畹奶娲?。電磁爐兼具煎、炒、蒸、燉等“全能”的功能，從應(yīng)用的角度看，它的市場前景無疑是非常廣闊的。同時(shí)電磁爐多功能的開發(fā)，令廚房更簡潔、更集成。

隨之而來的電磁爐用薄膜電容器需求量的增大，每臺(tái)電磁爐中至少會(huì)用到三顆薄膜電容器，其中至少用到一顆LC串聯(lián)諧振電容器，由于其較高的電流及電壓要求、且需要符合相應(yīng)安規(guī)認(rèn)證。為了更好的配套電磁爐市場應(yīng)用的薄膜電容器需求，我司推薦采用MMKP81系列電磁爐用諧振電容器。

2　主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)市場的要求，參照其他型號(hào)薄膜電容器的標(biāo)準(zhǔn)確定了MMKP81系列電磁爐用諧振電容器的主要技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1　MMKP81型電容器主要技術(shù)指標(biāo)

3　電磁爐應(yīng)用及安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對電磁爐用諧振電容器的要求

3.1應(yīng)用要求評(píng)估

電磁爐的工作原理是：當(dāng)線圈中通過高頻電流時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場，在高頻交變磁場的作用下，鐵質(zhì)鍋底中產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，鍋底迅速釋放出大量的熱量，達(dá)到加熱目的。

電路分析：圖1中整流橋BI將工頻（50HZ）電壓變成脈動(dòng)直流電壓，L1為扼流圈，L2是電磁線圈，IGBT由控制電路發(fā)出的矩形脈沖驅(qū)動(dòng)，IGBT導(dǎo)通時(shí)，流過L2的電流迅速增加。IGBT截止時(shí)，L2、C21發(fā)生串聯(lián)諧振，IGBT的C極對地產(chǎn)生高壓脈沖。當(dāng)該脈沖降至為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖再次加到IGBT上使之導(dǎo)通。上述過程周而復(fù)始，最終產(chǎn)25KHZ左右的主頻電磁波，使陶瓷板上放置的鐵質(zhì)鍋底感應(yīng)出渦流并使鍋發(fā)熱。串聯(lián)諧振的頻率取之L2、C21的參數(shù)。

圖1　電磁爐工作主回路

研發(fā)目標(biāo)為圖1中C21位置的LC串聯(lián)諧振電容器，通過對C21工作電壓、電流、環(huán)境溫度進(jìn)行測量分析，以1600W電磁爐為例，諧振電容器容量為0.27μF為例，要求能夠承受1200V以上的直流電壓、12A@25kHz以上工作電流（視不同功率電磁爐選用不同容量電容器而不同：如2200W電磁爐諧振電容器選電容量為0.47μF，工作電流需滿足17A@25kHz；3000W電磁爐諧振電容器選電容量為0.68μF，工作電流需滿足21A@25 kHz），且電容器尺寸要能夠滿足電磁爐內(nèi)部的空間要求。

圖2　電磁爐工作時(shí)C21（圖1中）電壓波形

3.2安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)國內(nèi)電磁爐用LC串聯(lián)諧振電容器GB/T 3984標(biāo)準(zhǔn)要求中幾個(gè)關(guān)鍵測試要求如下：

3.2.1耐電壓試驗(yàn)

交流：對電容器電極之間施加正弦電壓2.0UN（a.c.），工頻，持續(xù)10秒鐘。

直流：對電容器電極之間施加直流電壓4.0UN（d.c.），持續(xù)10秒鐘。

以上交流測試和直流測試為二選一項(xiàng)目，由制造廠選擇。這是一種破壞性試驗(yàn)，電容器越趨向小型化，其嚴(yán)酷度就越彰顯出來。

3.2.2短路放電試驗(yàn)

以2倍額定直流電壓充電，通過電容器放置的間隙放電，10分鐘內(nèi)承受5次這樣的放電。

常規(guī)電容器的充放電電壓一般為額定電壓，而這里要求電壓為2倍直流額定電壓，放電電流至少大出一倍。

3.2.3老化試驗(yàn)

老化試驗(yàn)期間的溫度：+105℃，在工頻1.25UN下通電1 000h，或在l.35 UN下通電500h ，由制造廠選擇。

這里的實(shí)驗(yàn)溫度要求交苛刻，不是采用電容器的額定溫度，而是采用上限類別溫度。

3.3試驗(yàn)設(shè)備

由于我公司長期的研發(fā)投入，測試設(shè)備都能滿足以上測試要求，特別根據(jù)模擬應(yīng)用這一塊，我公司已投入大量高頻電源測試設(shè)備，可以模擬高頻應(yīng)用場合電容器的工作狀態(tài)，在產(chǎn)品研制過程中，這些試驗(yàn)設(shè)備完成了大量樣品的試驗(yàn)，設(shè)備工作可靠、性能符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，為產(chǎn)品研制創(chuàng)造了必備的條件。

4　產(chǎn)品研制過程中的技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

前面討論的電容器在電磁爐應(yīng)用中安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)嚴(yán)酷度，由于產(chǎn)品尺寸已經(jīng)受到了限制，來自市場的要求，也為了降低成本，尺寸需要做得更小些，這就要求我們制作該類產(chǎn)品一定得在設(shè)計(jì)上和制作過程中有講究和創(chuàng)新，特別要在產(chǎn)品抗高壓能力、長期工作的高溫條件下的耐電流能力等方面有所突破。

4.1抗高壓能力和長期的耐電流能力

電壓方面，GB/T 3984標(biāo)準(zhǔn)要求無論是交流測試電壓還是直流測試電壓，都高于其他系列薄膜電容器的1.6倍額定電壓，無疑是提高了研發(fā)MMKP81系列電容器的難度，確定要采用內(nèi)串或多串式結(jié)構(gòu)來，聚丙烯膜作為介質(zhì)；

電流方面的，GB/T 3984標(biāo)準(zhǔn)短路放電測試要求充放電壓為2倍直流額定電壓，是其他系列電容器的2倍，表面上是電壓的提高，實(shí)際上對電容器提高更高要求的是大電流的沖擊，只是這項(xiàng)測試要求只是10分鐘內(nèi)承受5次這樣的放電，研發(fā)中對電磁爐實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)該電容器還需滿足長期工作在25kHz的大電流條件，小功率的電磁爐工作電流大約10Arms，較大功率的甚至要求20Arms.

特別是在尺寸限制的情況，如果采用膜箔式結(jié)構(gòu)，能夠在耐電流方面有很好的提高作用，目前國外廠家一般選用這種設(shè)計(jì)，但這種設(shè)計(jì)體積上會(huì)比較大，鋁箔的厚度大約為6.5μm，我公司根據(jù)長期產(chǎn)品測試和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，大膽采用雙面金屬化膜來替代鋁箔，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　MMKP81系列電磁爐用諧振電容器結(jié)構(gòu)

采用雙面金屬化內(nèi)串膜替代鋁箔不僅能夠同樣達(dá)到薄膜內(nèi)電極與外電極的可靠接觸，還有優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）體積小，電極部分厚度降低，鋁箔厚度為6.5μm，而雙面金屬化膜ATDM 的膜厚僅為4.8um。

（2）雙面金屬化膜電容器電性能更穩(wěn)定，若采用薄箔式疊在一起進(jìn)行卷繞，薄膜和鋁箔之間的間隙相對較大，特別是采用這種內(nèi)串式的結(jié)構(gòu)，兩張鋁箔之間的間隙很大，每層之間都有6.5μm的空隙，這里面的空氣是無法通過工藝手段來完全排除的，而薄膜上的金屬鍍層還不到0.1μm。

（3）成本更低，體積小了，總體材料就省下來了。

（4）耐電壓、耐電流能力更好。由于其體積優(yōu)勢可將薄膜稍加厚一點(diǎn)，電容器耐壓水平直接與介質(zhì)膜厚有關(guān)，膜厚了耐壓水平明顯提升，同時(shí)增大了端面接觸面積，耐電流能力也得到一定提升。

溫升數(shù)據(jù)：

平均溫升14.6℃雙面金屬化內(nèi)串（介質(zhì)稍厚一點(diǎn)，但成本仍略低）設(shè)計(jì)方案　測試條件　溫升數(shù)據(jù)膜箔式內(nèi)串（國外）　利用我司高頻電源分別對電容器施加25kHz，15Arms電流，測量各自溫升平均溫升15.5℃

4.2電容器的高溫環(huán)境中長期工作問題的改善和解決

GB/T 3984標(biāo)準(zhǔn)要求中要求老化試驗(yàn)的溫度要求為上限類別溫度，而其他系列電容是額定溫度下進(jìn)行測試，但畢竟測試時(shí)間只有1000h或者500h。為了更明確的了解電容器在電磁爐中應(yīng)用的溫度狀況，模擬測試中，我們發(fā)現(xiàn)，電磁爐的結(jié)構(gòu)中，電感線圈是比較大，工作時(shí)溫度可達(dá)100℃，而幾乎整個(gè)PCB板都在電感線圈的下方，若電容器的體積較大，特別是高度較高的話，受線圈的高溫影響就更大，一般電容器頂部的環(huán)境溫度將達(dá)到70℃～80℃，若電磁爐使用中臨時(shí)停一下再開起來的話，由于電磁爐停止工作時(shí)散熱的風(fēng)扇會(huì)停止工作，電磁爐內(nèi)的環(huán)境溫度還會(huì)進(jìn)一步上升至85℃～90℃。

4.3電容器應(yīng)用模擬測試和性能對比

我公司為了更明確薄膜電容器在各領(lǐng)域的應(yīng)用條件對電容器的影響，我公司配備了大量用于電容器模擬應(yīng)用的測試設(shè)備，特別是模擬高頻工作狀態(tài)的應(yīng)用測試，通過對該電容器施加25kHz的正弦波信號(hào)，模擬MMKP81電容器用在電磁爐中的LC串聯(lián)諧振條件，施加10Arms至20Arms的電流，通過對比測試各種設(shè)計(jì)方案電容器的溫升，最終確認(rèn)該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用的可靠性。

5　主要工序工藝確定

MMP81系列電磁爐用諧振電容器的生產(chǎn)工藝流程為：卷繞→熱壓→包膜→噴金→熱處理→賦能→焊接→灌封→初期固化→外觀檢查→后固化→電參數(shù)測試、打印標(biāo)識(shí)→逐批檢驗(yàn)→包裝→入庫。

下面對關(guān)鍵工序作簡要分析：

（1）卷繞

卷繞是電容器生產(chǎn)的第一道工序，對產(chǎn)品性能、等品率有至關(guān)重要的影響，特別是芯子卷繞張力和內(nèi)串雙電容器的容量對稱性對產(chǎn)品的耐壓性能有直接影響。該工序嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行組織生產(chǎn)，對關(guān)鍵性控制參數(shù)嚴(yán)格進(jìn)行管理。特別是相比其他系列電容器，薄膜更寬，體積也比較大，卷芯應(yīng)適當(dāng)大一些，避免由于卷芯過小，導(dǎo)致芯子過緊，影響熱壓工序。

（2）熱壓

熱壓工序也直接影響著電容器熱定形效果，結(jié)合生產(chǎn)其他系列大規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并做好保護(hù)防止芯子擠壓和撞傷。

（3）灌封

由于MMKP81系列電磁爐用諧振電容器腳距比較大，達(dá)到37.5mm，自動(dòng)組裝生產(chǎn)線目前無法進(jìn)行，需要進(jìn)行手工灌封。

（4）電參數(shù)測試

由于MMKP81系列電磁爐用諧振電容器應(yīng)用要求的特殊性，所以在電參數(shù)測試時(shí)，對耐電壓、高頻損耗等參數(shù)提出了更嚴(yán)格的控制，以滿足客戶要求。

總體上MMKP81系列電磁爐用諧振電容器的生產(chǎn)工藝比較接近MMKP82系列，工藝控制上難度不是太大，由于外形尺寸大差異制程上需要特殊控制。

6　產(chǎn)品認(rèn)證及試生產(chǎn)

我公司MMKP81系列電磁爐用諧振電容器，目前已通過CQC認(rèn)證，UL正在認(rèn)證中。

由于該型號(hào)的產(chǎn)品性能要求較高，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程環(huán)境要求也比較苛刻，我們經(jīng)過反復(fù)摸索，經(jīng)過試生產(chǎn)，參考 MMKP82型產(chǎn)品的工藝流程，并進(jìn)一步優(yōu)化了工藝參數(shù)，總結(jié)制定了一整套相對合理的過程控制方法。首先制訂了嚴(yán)格的工藝參數(shù)、工藝流程及操作規(guī)程，并對操作人員進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn)教育；其次在各個(gè)工序產(chǎn)品性能可能受影響點(diǎn)都制定了環(huán)境條件控制辦法，同時(shí)在生產(chǎn)中嚴(yán)格按照TS16949的模式組織生產(chǎn)管理，使生產(chǎn)得到有效受控，產(chǎn)品性能得到保障。

7　總結(jié)

（1）通過公司內(nèi)部多次驗(yàn)證測試，對比產(chǎn)品性能，成功研制MMKP81系列電磁爐用諧振電容器。

（2）經(jīng)試驗(yàn)測試驗(yàn)證，采用聚丙烯膜作為介質(zhì)的雙面金屬化內(nèi)串設(shè)計(jì)MMKP81系列電磁爐諧振電容器，能夠滿足電磁爐諧振應(yīng)用的高頻、耐高壓、大電流及耐高溫的工作要求；

（3）由于電磁爐功率和終端用戶市場不同，商用電磁爐等附加值較高的變頻器終端產(chǎn)品越來越多的用到薄膜電容器，公司能夠同時(shí)為這些市場提供全套的薄膜電容器供應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

［1］GB/T 3984《感應(yīng)加熱裝置用電力電容器 第1部分 總則》.

［2］GB/T 3984《感應(yīng)加熱裝置用電力電容器 第2部分 老化試驗(yàn)、破壞試驗(yàn)和內(nèi)部熔絲隔離要求》.

作者簡介：

周鵬飛（1984—），男，安徽安慶人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廈門法拉電子股份有限公司，技術(shù)部副經(jīng)理，主要從事薄膜電容器市場應(yīng)用咨詢和研究。