節能燈用金屬化薄膜電容器脈沖能力研究

賈建州

【摘要】節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，在設計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。

【關鍵詞】節能燈;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

節能燈具有光效高、顯色好、使用電壓寬、壽命長，體積小，使用簡便，是現代室內照明的典型光源。緊湊型電子節能熒光燈是由異形節能熒光燈管、電子節能鎮流器所組成的，這種結構的燈具，將小型電子鎮流器安裝于燈具全密封塑殼中。

圖1 節能燈電路圖

圖1是一款典型的緊湊型電子節能熒光燈電路圖，負載諧振電路C4工作頻率大于20KHz，有的甚至高達75KHz，需要承受相當大的脈沖電流。另外節能燈頻繁的開關，電容器還需要承受很大的電流沖擊，節能燈要正常工作8000小時以上不失效，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、長壽命。

1.電容器的脈沖能力

通過金屬化薄膜電容器（后面簡稱電容器）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，反之電容器的抗脈沖峰值電流的能力就弱。

對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—介質的介電常數、b—有效寬度（mm）、L—有效長度（m）、d—介質厚度（μm）。

將（4）帶入（1）：

（5）

現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，與電容器的介質介電常數ε成反比，與介質厚度成正比，與有效載流厚度成正比、與有效載流長度成正比，所以電容器承受脈沖的能力與金屬化膜介質類型（聚脂PET、聚丙稀OPP、聚萘乙酯PEN、聚苯硫醚PPS等）、介質的厚度、寬度、金屬化電極所用的金屬材質（鋁、鋅鋁）、金屬化鍍層的厚度（方阻）有關。

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在有機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、引出線電阻遠小于噴金層和金屬化電極間的接觸電阻，因此在長時間大的脈沖電流沖擊時，噴金層和金屬化電極接觸處電流密度最大，也最容易發熱，緊湊型節能燈燈殼內溫度高，有的甚至超過了100℃，電容器所處的高溫環境加上芯子內部持續的發熱會導致介質膜受損，接觸點的金屬層燒毀氧化，這樣一來噴金層與金屬化電極接觸電阻進一步升高，發熱能量更大，如此循環會導致產品最終失效，因此電容器抗脈沖能力和介質類型噴涂用的金屬材質（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合強度有關，在設計上要優先考慮以下因素。

2.1 介質類型

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

2.2 結構

采用小間距、比較厚的金屬化膜，可以減小有效寬度，提高有效載流長度，提高dv/dt值，提高電容器的脈沖的能力，但在實際中由于客戶對電容器尺寸有一定的要求，所以要選取適當的金屬化膜的厚度、寬度。

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，但鍍層太厚會導致電容器自愈能力下降，耐電壓下降，因此采用適當的金屬化鍍層的厚度（常用方阻表示）是必要的，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構屬同一晶系的成份時，有助于二者結合，提高其機械強度，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度，減少噴金層和金屬化電極間的接觸電阻，這個已被越來越多的電容器廠家所采用。

3.試驗結果與結論

為了驗證，筆者對節能燈常用規格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，做成電容器后進行對比測試，試驗方案見表1所示。

表1 試驗方案

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 測試結果

方案 充放電次數后不合格數量

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

按照圖3充電電壓1000V，充電1s放電1s，電阻R2為短路狀態，電感L為0.07μH，測試5只產品，容量變化率△C/C≤5%，損耗角正切值1KHz tgδ≤0.7為合格，測試結果見表2所示。

實測放電電壓波形（如圖4所示）dv/dt= 18000V/μS，通過電容器的脈沖峰值電流高達846A，方案A經過20次充放電后全部失效，B、C、D隨著充放電次數的增加陸續失效，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，它們間結合強渡高，而波浪邊更加提高了噴金層和金屬化電極的連接強度。

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的沖擊，接觸處發熱鍍層被燒蝕。

4.結論

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，噴鋁優于噴鋅的產品，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

[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.