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)用及安全認證標準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)難點和技術(shù)創(chuàng)新點，經(jīng)試驗測試驗證，采用聚丙烯膜作為介質(zhì)的雙面金屬化內(nèi)串設(shè)計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，中國2010年度節(jié)能低碳產(chǎn)品市場容量突破3000億元，而電磁爐在這幾點是尤為突出，比傳爐具節(jié)省50%以上的費用！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。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80%，已經(jīng)完全能夠與微波爐和燃氣灶“分庭抗禮”。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氣灶的替代品。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，每臺電磁爐中至少會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

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

表1　MMKP81型電容器主要技術(shù)指標

3　電磁爐應(yīng)用及安全認證標準對電磁爐用諧振電容器的要求

3.1應(yīng)用要求評估

電磁爐的工作原理是：當(dāng)線圈中通過高頻電流時，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)生強大的渦流，鍋底迅速釋放出大量的熱量，達到加熱目的。

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，IGBT導(dǎo)通時，流過L2的電流迅速增加。IGBT截止時，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，驅(qū)動脈沖再次加到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C21（圖1中）電壓波形

3.2安全認證標準要求

根據(jù)國內(nèi)電磁爐用LC串聯(lián)諧振電容器GB/T 3984標準要求中幾個關(guān)鍵測試要求如下：

3.2.1耐電壓試驗

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目，由制造廠選擇。這是一種破壞性試驗，電容器越趨向小型化，其嚴酷度就越彰顯出來。

3.2.2短路放電試驗

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

老化試驗期間的溫度：+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。

這里的實驗溫度要求交苛刻，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，這些試驗設(shè)備完成了大量樣品的試驗，設(shè)備工作可靠、性能符合認證標準的要求，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)難點與創(chuàng)新點

前面討論的電容器在電磁爐應(yīng)用中安全認證標準試驗嚴酷度，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標準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標準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，實際上對電容器提高更高要求的是大電流的沖擊，只是這項測試要求只是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，但這種設(shè)計體積上會比較大，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)計經(jīng)驗，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到薄膜內(nèi)電極與外電極的可靠接觸，還有優(yōu)點如下：

（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，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，但成本仍略低）設(shè)計方案　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標準要求中要求老化試驗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行測試，但畢竟測試時間只有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，工作時溫度可達100℃，而幾乎整個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)境溫度將達到70℃～80℃，若電磁爐使用中臨時停一下再開起來的話，由于電磁爐停止工作時散熱的風(fēng)扇會停止工作，電磁爐內(nèi)的環(huán)境溫度還會進一步上升至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，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)計方案電容器的溫升，最終確認該設(shè)計方案應(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、打印標識→逐批檢驗→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。該工序嚴格按照設(shè)計參數(shù)進行組織生產(chǎn)，對關(guān)鍵性控制參數(shù)嚴格進行管理。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，并做好保護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，達到37.5mm，自動組裝生產(chǎn)線目前無法進行，需要進行手工灌封。

（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，對耐電壓、高頻損耗等參數(shù)提出了更嚴格的控制，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認證，UL正在認證中。

由于該型號的產(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。首先制訂了嚴格的工藝參數(shù)、工藝流程及操作規(guī)程，并對操作人員進行強化培訓(xùn)教育；其次在各個工序產(chǎn)品性能可能受影響點都制定了環(huán)境條件控制辦法，同時在生產(chǎn)中嚴格按照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)試驗測試驗證，采用聚丙烯膜作為介質(zhì)的雙面金屬化內(nèi)串設(shè)計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，公司能夠同時為這些市場提供全套的薄膜電容器供應(yīng)。

參考文獻

［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、破壞試驗和內(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。