金屬化膜是在薄膜上蒸鍍一層很薄的鋁或鋁鋅合金電極。在薄膜中弱點(diǎn)發(fā)生擊穿時(shí),金屬電極蒸發(fā)并隔離故障點(diǎn),使得電容器迅速恢復(fù)絕緣得以繼續(xù)正常工作,這個(gè)過程稱之為“自愈”,該過程中電弧燃燒消耗的能量叫作自愈能量^［1］。自愈能量越大,單次自愈過程中清除的金屬電極面積越大,金屬電極面積的損失導(dǎo)致電容量下降。

測(cè)試電容器的電容量損失是一種衡量電容器運(yùn)行狀況的有效方法。當(dāng)電容量損失增多時(shí),金屬化膜脈沖電容器耐壓性能下降,每次充放電電容量的損失將大幅增加。通常以電容量下降達(dá)到5% 時(shí)的充放電次數(shù)作為金屬化膜脈沖電容器的工作壽命^［1］。

金屬化膜脈沖電容器的電容量損失過程能夠作為評(píng)估電容器工作狀況的方法,這就表明設(shè)備的維護(hù)工作能夠預(yù)先制定,而不是等到電容器出現(xiàn)故障時(shí)再去維護(hù)。在大系統(tǒng)中出現(xiàn)電容器故障,后果可能是災(zāi)難性的,其造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于維修設(shè)備的花費(fèi)。因此在金屬化膜脈沖電容器投入運(yùn)行前,取其部分樣品進(jìn)行壽命測(cè)試是必要的,以此來了解此種類型金屬化膜脈沖電容器的壽命特性。

金屬化膜脈沖電容器的壽命受到各種不同因素的影響,下面討論這些影響因素。

金屬化膜脈沖電容器的壽命受到所加電壓強(qiáng)度的影響。有學(xué)者^［2］指出薄膜上外界壓強(qiáng)為0,薄膜方阻為1. 4 Ω/□時(shí),自愈能量與電壓的關(guān)系如式( 1) 所示:

式( 1) 中,W_s為自愈能量; U為所加電壓; n為系數(shù)。在其他一些學(xué)者的研究中,n在2 ~ 6 之間變動(dòng)^［3-4］。Kammermaier和Heywang指出表面自愈過程中金屬脫離面積與自愈能量成正比^［5-7］,比例關(guān)系如下:

式( 2) 中,S為自愈面積; d為薄膜厚度。

在金屬化膜脈沖電容器的壽命測(cè)試中,薄膜自愈造成的金屬層蒸發(fā)是電容量損失的主要因素。因此電容器的壽命與電容器自愈能量相關(guān)。結(jié)合( 1) 與( 2) ,可得到式( 3) :

因此對(duì)于同種金屬化膜脈沖電容器,壽命與電壓的關(guān)系可以表示如下:

式( 4) 中,L為壽命; U為金屬化膜脈沖電容器所加電壓; m為系數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)金屬化膜脈沖電容器的壽命受到電壓的影響顯著,隨著電壓的升高,金屬化膜脈沖電容器壽命近似呈指數(shù)關(guān)系下降。

研究表明0 ~ 20% 反峰電壓對(duì)金屬化膜脈沖電容器的性能影響不大,但當(dāng)反峰電壓達(dá)到50%正向電壓以上時(shí),金屬化膜脈沖電容器的電容量會(huì)急劇下降。設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮到運(yùn)行中反峰電壓造成的電容量損失。電壓反向的影響機(jī)理主要為反向電壓與其內(nèi)部慢極化電場(chǎng)相疊加,使介質(zhì)承受較大電場(chǎng),導(dǎo)致介質(zhì)劣化、自愈增加、壽命下降^［8］。

有學(xué)者提出了壽命與反峰電壓關(guān)系^［8］,如下:

式( 5) 中 β 為反峰系數(shù),即反向電壓峰值與正向電壓峰值的比值,而一般電流反峰率與電壓反峰率大小是一樣的。

在環(huán)境溫度為20 ℃ ~ 40 ℃ 時(shí),溫度對(duì)金屬化膜脈沖電容器壽命的影響不大; 在溫度為40 ℃~ 65 ℃ 時(shí),每增加8 ℃ ,金屬化膜脈沖電容器的壽命減半; 而在65 ℃以上時(shí),新的故障出現(xiàn),金屬化膜脈沖電容器的壽命急劇下降^［8］。因此電容器操作時(shí)的環(huán)境溫度對(duì)金屬化膜脈沖電容器的壽命有顯著的影響。

在脈沖放電過程中通過電容器的大電流會(huì)在電極之間產(chǎn)生很大的電動(dòng)力^［9］。金屬化膜脈沖電容器的端部噴金處流過的電流最大,端部噴金接觸會(huì)受到破壞,導(dǎo)致噴金脫落。當(dāng)金屬與電介質(zhì)的接觸遭到破壞時(shí),金屬化膜脈沖電容器的等效串聯(lián)阻抗增加,之后脈沖放電會(huì)使得金屬化膜脈沖電容器出現(xiàn)過熱,最終導(dǎo)致其性能和壽命的降低。

金屬化膜脈沖電容器流過脈沖電流會(huì)產(chǎn)生熱量,使得薄膜介質(zhì)劣化,擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降,自愈增多,壽命下降^［8］。

基于上述影響金屬化膜脈沖電容器壽命的因素,在此提出一種金屬化膜脈沖電容器壽命測(cè)試方法。此方法可以測(cè)試上述不同影響因素下金屬化膜脈沖電容器的壽命特性,并能夠模擬實(shí)際工況進(jìn)行金屬化膜脈沖電容器測(cè)試,以此來了解金屬化膜脈沖電容器的品質(zhì)并對(duì)其運(yùn)行壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)^［10］。

金屬化膜脈沖電容器壽命測(cè)試回路如圖1 所示,試品電容C充至預(yù)設(shè)電壓值后,晶閘管V_T導(dǎo)通,電容C對(duì)電阻R_f和電感L_f放電,電壓反轉(zhuǎn)時(shí),反向電流經(jīng)過二極管V續(xù)流。晶閘管的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過設(shè)計(jì),能提供多次連續(xù)觸發(fā),保證電容器的放電能夠持續(xù)到電壓幅值衰減為可忽略的極小值。

壽命測(cè)試原理如圖2 所示。圖2 為典型的二階放電電路。

金屬化膜脈沖電容器充電到設(shè)置電壓后,再合上開關(guān),假設(shè)合開關(guān)前的時(shí)間為0,因此0 時(shí)刻電流為零,起始電壓與起始電流如下:

合上開關(guān)后回路方程如下:

方程特征根如式( 8) 、( 9) :

根據(jù)實(shí)際工況下不同負(fù)載進(jìn)行參數(shù)選擇,回路參數(shù)改變后,脈沖放電波形也隨之改變,大致分為3 種形式。

1) 過阻尼情況。 需要調(diào)節(jié)參數(shù)使得,即a > ω₀,特征根p₁和p₂為不相等的負(fù)實(shí)根。放電電流表達(dá)式如下:

2) 臨界阻尼情況。調(diào)節(jié)回路參數(shù),使得?,即a = ω₀,特征根p₁和p₂為相等的負(fù)實(shí)根。放電電流表達(dá)式如下:

3) 欠阻尼情況。 調(diào)節(jié)回路參數(shù),使得,a < ω₀,特征根p₁和p₂為有負(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根,表達(dá)式如式( 12) 、( 13) :

式( 12) 、( 13) 中a、ω_o、ω_d滿足下式:

計(jì)算得到脈沖放電電流如下:

即通過這樣的回路設(shè)置,并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,可以得到脈沖條件下的任意波形,進(jìn)行壽命測(cè)試。

典型的脈沖放電電流如圖3 所示,其為欠阻尼情況。圖3 中金屬化膜脈沖電容器電容量為40 μF,所加電壓5. 7 k V,電流幅值888 A,反峰系數(shù)10. 8% ,周期1. 1 ms。回路參數(shù)中電阻3. 5 Ω,電感418 μH。

高壓充電電源廣泛應(yīng)用于等離子體物理、高功率激光、大功率微波、粒子束武器等領(lǐng)域。如今的脈沖激光發(fā)生器、醫(yī)療加速器、電源調(diào)制器和其他脈沖充電容放電回路都面臨著系統(tǒng)給電容器充電的問題。傳統(tǒng)充電電源采用的工頻高壓電源和LC諧振充電方式,雖然電路簡(jiǎn)單,但其體積和重量大,低頻工作狀態(tài)以及紋波、穩(wěn)定性均不能令人滿意。電力電子學(xué)的飛速發(fā)展和開關(guān)電源的采用使充電電源高頻化成為趨勢(shì),且在國外已有快速發(fā)展。美國的Maxwell公司及EMI公司均研制了開關(guān)模式的適合脈沖電容充電的系列高壓電源。

充電方式是充電機(jī)選擇的重要因素,主要分為3 種方式: 1RC直流恒壓充電; 2L-C諧振充電; 3LRC串聯(lián)諧振恒流充電。與恒壓充電相比較,LRC串聯(lián)諧振恒流充電時(shí)電容器上的電壓上升速度均勻,充電時(shí)間較短,回路沒有限流電阻,消耗的能量較少,利用率高,因而使恒流充電適應(yīng)了激光電源技術(shù)向重復(fù)頻率發(fā)展的趨勢(shì),得到廣泛的應(yīng)用。

如果使用傳統(tǒng)的恒壓充電,在充電初期,電容器上的電壓較低,流過電源的電流較大,電源相當(dāng)于短路,必須串聯(lián)電阻以限制電流,在充電后期,隨著電容器上的電壓升高,降落在限流電阻上的電壓降低,流經(jīng)限流電阻的充電電流減小,充電速度變慢,消耗能量,利用率低。分別采用恒流充電和恒壓充電時(shí)電容器上的電壓上升曲線如圖4 所示,其中電壓線性上升的為恒流充電,可以看出在電源容量相同的情況下恒流充電快于恒壓充電[10]。

晶閘管是PNPN 4 層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),它有3 個(gè)極: 陽極,陰極和門極。晶閘管具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制,在此選用晶閘管進(jìn)行脈沖放電的導(dǎo)通。當(dāng)電壓過高,可將晶閘管進(jìn)行串聯(lián),增大整體的耐壓能力。

脈沖放電過程中,在感性負(fù)載的作用下,會(huì)出現(xiàn)欠阻尼回路,導(dǎo)致電路出現(xiàn)振蕩。二極管的作用是給脈沖放電反向電流續(xù)流。當(dāng)電壓增大后,可通過二極管串聯(lián)以提高整體耐壓能力。

當(dāng)選用串聯(lián)連接時(shí),每個(gè)開關(guān)元件的參數(shù)不可能完全一致,可能會(huì)出現(xiàn)分壓不均,因此應(yīng)該在二極管與晶閘管兩端并上均壓回路,其包括穩(wěn)態(tài)均壓回路與暫態(tài)均壓回路。穩(wěn)態(tài)均壓回路使晶閘管與二極管在穩(wěn)態(tài)電流作用下,分壓均勻。暫態(tài)均壓回路使得晶閘管與二極管在瞬間脈沖作用下能夠得到均勻分壓,避免因分壓不均,導(dǎo)致元件破壞,回路設(shè)置如圖5 所示。圖中R_j為穩(wěn)態(tài)均壓回路電阻,C_d與R_d為動(dòng)態(tài)均勻回路的電容與電阻,其中電容起到了緩沖回路沖擊的作用。

脈沖放電對(duì)于參數(shù)要求嚴(yán)格,一般無需很大的電阻和電感,但在電阻與電感中需要通過很大的電流,并且電感與電阻需要方便調(diào)節(jié)以滿足不同波形的要求,因此測(cè)試回路中電感和電阻的形式需要認(rèn)真考慮。

當(dāng)需要測(cè)試金屬化膜脈沖電容器在特殊條件下的壽命特性時(shí),需要在回路中增加適當(dāng)?shù)脑O(shè)備以達(dá)到測(cè)試要求。如要測(cè)試不同溫度或濕度環(huán)境下金屬化膜脈沖電容器的壽命特性,可將金屬化膜脈沖電容器放入恒溫恒濕箱中,用導(dǎo)線將其接入回路,進(jìn)行壽命測(cè)試,以實(shí)現(xiàn)不同溫度或濕度下壽命測(cè)試,即進(jìn)行特殊測(cè)試需要加入特殊設(shè)備。

本文對(duì)影響金屬化膜脈沖電容器壽命的因素進(jìn)行分析,提出了按不同影響因素測(cè)試金屬化膜脈沖電容器壽命特性的方法,并對(duì)此測(cè)試方法的原理與主要設(shè)備進(jìn)行了說明。此方式可高效測(cè)試金屬化膜脈沖電容器的壽命特性,對(duì)金屬化膜脈沖電容器壽命測(cè)試以及基于壽命測(cè)試而形成壽命預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。