金屬化聚丙烯膜脈沖電容器過載特性*

張天洋，宋祖殷，袁云華，秦 舒，陳冬群，劉金亮

(1.國防科技大學光電科學與工程學院，湖南長沙 410073;2.空軍駐湖南地區軍事代表室，湖南長沙 410100)

脈沖電容器作為爆磁壓縮激勵電流源的儲能元件之一，是爆磁壓縮發生器［1］(Magnetic Flux Compression Generators，MFCGs)的一個關鍵部件，通常要求單次可靠運行。正是由于單次運行，為脈沖電容器的過載工作提供了極大的可能。過載工作的電容器與額定電容器相比具有體積小、重量輕的優點，可實現爆磁壓縮激勵電流源的緊湊化。

近十年以來，美國德克薩斯大學脈沖功率中心對商業提供的電子元器件在脈沖功率領域的過載運行問題進行了大量研究，比如電池的大電流放電［2］、電阻的超功率使用［3］、電容器的過電壓使用［4］等。本文研究了不同溫度下國產金屬化聚丙烯膜脈沖(Metalized Polypropylene Pulse，MPP)電容器的過載特性。

1 實驗裝置

圖1 實驗平臺電路示意圖Fig．1 Schematic of experimental facility

MPP電容器過載放電實驗的實驗裝置如圖1所示，圖中AC為220V交流電源，其作用是提供穩定的交流電壓，并通過變壓器升壓后經高壓硅堆D對電容器C直流充電。R為20kΩ的水電阻，在電容器充電過程中起到限流的作用，同時在電容器擊穿時保護充電回路，防止電容器擊穿產生的大電流損壞充電回路。GAP為觸發型氣體火花開關，其作用是控制電容器C對負載電路放電。L為0.48μH負載，這個負載值相對較小，其目的是保證電容器有較大的輸出電流，Rm為負載電感的內阻。C為樣本電容器(型號:MMJ4－6.6)，由蘭州長華科技發展有限公司生產，其具體參數如下:電容量6.6μF，額定電壓4kV，體積 135cm3，重量 0．2kg，額定儲能密度0．4kJ/L。實驗前對電容器進行編號(0～50)。由于實驗中要對不同溫度下的電容器進行測試，因此需要在電容器內部安裝一個溫度探測裝置。為了不影響電容器的各項性能，根據MPP電容器為卷繞型的特點，將溫度探測裝置置于卷繞支撐物內部，并將電容器兩端噴金層區域用導線引出，最后在端口兩端灌膠密封。

在電容器過載放電實驗前，需要測試電容器的耐壓性能。首先從樣本電容器中抽取0～23號的電容器，并平均分成三組，每組8個電容器。其次在三個溫度點(－45℃、25℃、60℃)分別對三組電容器的耐壓性能進行測試，其中低溫實驗(－45℃)和高溫實驗(60℃)分別在高低溫箱中進行。實驗利用圖1中的充電回路對電容器充過電壓，直到電容器出現擊穿放電損壞現象為止。由于擊穿時電容器相當于短路，其兩端電壓很小，因此可以通過測量電容器兩端電壓的變化情況來判斷其是否擊穿，從而得到這種電容器的擊穿電壓值，最后分析實驗數據得到不同溫度下電容器的耐壓值U0。

電容器過載放電測試中，首先從樣本電容器中抽取24～50號的電容器，并平均分成三組，每組9個電容器。其次在三個溫度點(－45℃、25℃、60℃)分別對三組電容器的過載放電能力進行測試。實驗利用圖1中的充電回路將電容器充到U0后，觸發開關GAP導通，使電容器經放電回路對0．48μH負載L放電。

實驗中要對電容器的溫度、充電電壓、放電電流以及電容器自身參數等進行測量，其中溫度利用PT100熱電偶溫度探頭及監控器進行測量，其精度為1℃，可實時監測。充電電壓利用SDWFRC交直流分壓器進行測量，其為阻容分壓器，分壓比為1000∶1，高壓臂阻抗為1000MΩ，直流精度為1．0%，可實時監測。放電電流利用美國Pearson公司生產的Rogowski線圈進行測量，其為自積分線圈，測量靈敏度為1V/kA，I/U=1000，即被測電流經Rogowski線圈轉換成電壓信號，且兩者成正比，比值為1000。電容器自身參數利用TH2822A手持式LCR儀進行測量。

2 實驗結果及分析

2．1 電容器耐壓性能實驗

電容器耐壓性能的實驗測試結果如表1所示，表中給出了三個溫度條件下各個電容器的擊穿電壓值，其中括號內數字為電容器編號，括號外數字為電容器的擊穿電壓值。

表1 電容器耐壓性能實驗結果Tab．1 Results of capacitor withstand voltage experiment

實驗結果表明:

1)在60℃時電容器的擊穿電壓值普遍低于25℃和－45℃時的擊穿電壓值，這說明溫度對于MPP電容器的擊穿電壓是有影響的，其存在一段最適宜的工作溫度范圍，超過這一溫度范圍時電容器的耐壓性能有所下降。這是由于過高的溫度會使電容器絕緣介質的絕緣強度下降從而出現熱老化或熱擊穿的現象［5］。根據實驗數據可以確定－45～25℃這個溫度范圍內是適合MPP電容器正常工作的。

2)在同一溫度環境下，各個電容器的擊穿電壓值不盡相同，存在一定的偏差，但差別不大。這說明在一定溫度環境下，MPP電容器存在一個耐壓值，當充電電壓高于這個耐壓值時，電容器有可能發生擊穿。根據實驗數據可以定義三個溫度下測得的擊穿電壓的最小值即為這種電容器在該溫度環境下的耐壓值。也就是說－45℃和25℃下，電容器的耐壓值為5．7 kV。60℃下，電容器的耐壓值為 5．3kV。

為了分析不同溫度下電容器過載運行對其儲能密度的提高程度，可根據式(1)進行計算。

其中 W0，C0，U0，V0分別為電容器過電壓下的儲能密度，電容量，充電電壓和電容器體積;We，Ce，Ue，Ve分別為電容器額定電壓下的對應參數。由于在－45～60℃范圍內電容器的體積基本不變，因此式(1)可作上述簡化。

根據式(1)計算得，－45℃和25℃環境下，電容器過載運行的儲能密度可達到額定儲能密度的2倍。60℃環境下，電容器過載運行的儲能密度可達到額定儲能密度的1．8倍。這表明在－45～60℃范圍內用過載運行的MPP電容器作為爆磁壓縮激勵電流源的儲能元件，其體積和重量相對額定工作的MPP電容器能夠縮小55%以上。

2.2 電容器過載放電實驗

電容器過載放電實驗的結果如表2所示，表中給出了三個溫度條件下各個電容器的放電次數(n)、電容量變化率(ΔC/C)、充電電壓(U0)、放電電流第一峰值(Im)以及放電電流第一峰值對應時間(tm)。

表2 電容器過載放電實驗結果Tab．2 Results of capacitor overstress discharge experiment

為了與實驗結果進行比較分析，可根據式(2)和式(3)［6］計算 Im及 tm

式(2)和式(3)中，I0和 T0分別為無阻尼(R=0)條件下電容器放電電流的第一峰值及放電周期。

其中U0為電容器充電電壓(－45℃和25℃時，U0為 5．7kV。60℃時，U0為 5．3kV)，C 為回路電容6．6μF，L 為回路電感 0．48μH，R 為回路電阻2mΩ。將實驗測得的相關結果代入式(2)和式(3)計算，可得到不同溫度下Im及tm的理論值，其中 －45℃和 25℃ 環境下，Im=17．8kA，tm=3．2μs，與實驗數據 17 ～18kA，3．2 ～3．3μs相比基本相同;60℃環境下，Im=16kA，tm=3μs，與實驗數據15.6 ～16kA，3．6μs相比 tm明顯偏小。由式(3)可以發現，tm主要隨C和L變化，當C或者L增加時，tm變大，反之亦然，而實驗中回路電容C即為電容器的容值6.6μF，可直接測量，因此tm的實驗值相對理論值偏大只能是由于回路的電感變大導致的，而回路電感主要由電容器內感、負載以及開關電感組成，其中負載為0．48μH，可直接測量，實驗中所用開關為三電極火花開關，其間隙d=2cm，代入火花開關導通電感公式(7)［7］

由式(7)計算得開關與導通電感L為28nH。開關的導通電感與負載相比可以忽略不計，因此回路電感的變大只能是由于電容器內感變大導致的。將60℃環境下測得的tm值代入式(3)，可以計算出此時的回路電感為0．59μH。這表明在60℃環境下，電容器自身的內感相對于－45℃和25℃環境下有所增加，計算得其大約增加了100nH。

電容器過載放電實驗中，在－45～60℃范圍內對電容器充過電壓，使其儲能密度達到額定儲能密度的1．8倍，且Im均大于15kA時，27個電容器均成功放電，因此可采用公式(8)［8－10］

計算此時電容器能夠單次過載可靠工作的單側置信下限，式中，n為樣本大小，F為失敗數，γ為置信水平，RL為可靠度R的單側置信下限。根據計算得，在0．95的置信水平下，其 RL為0．9。這表明，在－45～60℃范圍內過載運行MPP電容器，使其儲能密度達到額定儲能密度的1．8倍，且Im為15kA，此時可實現單次過載可靠工作。

3 結論

本文研究了MPP電容器在不同溫度下的過載特性。研究發現，在－45～60℃范圍內過載運行MPP電容器，其儲能密度可達額定儲能密度的1．8倍，且放電電流第一峰值為15kA。此時在0.95的置信水平下，其過載運行的可靠度單側置信下限為0．9，可實現單次過載可靠工作。這為脈沖電容器的過載運行提供了重要的實驗依據，為爆磁壓縮激勵電流源的緊湊化提供了一個有效的方法。

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