金屬化薄膜電容器氣隙電離現象的討論

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脈沖功率電容器是新概念電磁武器包括電磁脈沖武器和電磁動能武器等的脈沖功率電源的關鍵件,也是激光激發核聚變系統的基礎件[1]。從文獻公開的國內外數據看,此類脈沖功率電容器的充放電壽命大多不長,在能量密度為2.0 J/cm3左右時僅數千次而已。即使美國GA公司研制的CMX型電容器在2.0 J/cm3條件下,也只能達到5萬次的水平[1],實用價值似乎仍然不高。正常情況下,脈沖功率電容器充放電壽命的長短是指在規定的容量衰減條件下充放電的次數。顯然此類電容器在充放電試驗或實際應用過程中必然會產生電容量的減小,這種減小會導致脈沖功率裝置無法正常運行。分析其原因,電容器介質層間發生了氣隙電離應該是其中之一。因此,對于干式金屬化薄膜電容器而言,本文深入討論研究其氣隙電離的有關問題,對于增加脈沖功率電容器的充放電壽命具有一定的意義。

1 氣隙電離發生的原理

金屬化薄膜電容器在制造過程中,介質薄膜層與層之間不可避免的存在著氣隙。由于薄膜厚度的不均勻,薄膜表面的不平整,甚至金屬化鍍層厚度和薄膜表面之間的空隙以及生產工藝等因素,這種氣隙在某些位置還會比較嚴重。因此,金屬化薄膜電容器如果無法消除這些氣隙,則在脈沖或交流應用中當脈沖或交流電壓超過某一水平時,上述存在的氣隙會被電場擊穿,發生氣隙電離。電離時由于氣隙 “中性分子的外層電子將脫離分子的束縛”而逸出[2],在電容器介質薄膜和相鄰一層薄膜的金屬化鍍層電極之間,產生帶電荷的正、負離子。由于電場的作用,這些正、負離子在不同的層間分別向電容器的負、正電極運動,在和電極接觸前瞬間產生放電火花,其能量蒸發掉對應位置的金屬化鍍層,在作為電極的金屬化鍍層上形成基本規則為圓形但大小不一的電離斑點。氣隙電離發生的原理示意見圖1。

圖1 電容器介質層間發生氣隙電離的原理示意Fig.1 The schematic diagram of air ionization occurred between dielectric layers of the capacitor

2 氣隙電離現象的實例描述

發生氣隙電離后的電容器,在介質薄膜電極鍍層上形成電離斑點的兩例狀況見圖2和圖3。

圖2是一只1000 pF的圓柱形多串聯電容器在10 kV AC電壓下數分鐘內迅速發生氣隙電離并解剖后兩層金屬化薄膜的圖片。圖中白色條狀為介質薄膜,黑色條狀是薄膜上的金屬化鍍層,其上的白色圓點、半圓點即為金屬化鍍層被蒸發后的電離斑點。在電容器電極上施加10 kV AC電壓強迫其迅速發生氣隙電離時,在電容器外表面能看到放電火花,并能聽到 “叭叭”的放電聲響。仔細觀察圖2可以發現,位于金屬化鍍層條邊緣處的電離斑點大都呈半圓或大半圓形態,而且面積較大;而在金屬化鍍層條上的斑點則呈現圓形且面積較小。這一現象表明,在金屬化鍍層條的邊緣,由于10 nm左右的鍍層厚度和薄膜表面之間形成的空隙使得該處存在較多的氣隙,而相對集中的較多氣隙電離增加了該處的放電能量,從而蒸發掉較大面積上的金屬化鍍層;而缺失的半圓部分,則是因為該處沒有金屬化鍍層電極而不會吸引帶電離子的撞擊,因而不存在放電火花,也不可能出現電離斑點。此外,電離斑點的不規則分布可以說明氣隙的不規則存在。

圖2 形成電離斑點的金屬化薄膜圖例之一Fig.2 The first illustrations of metallized film with ionization spot

圖3 形成電離斑點的金屬化薄膜圖例之二Fig.3 The second illustrations of metallized film with ionization spot

圖3是一只交流狀態間歇使用三年后因為電容量下降20%而失效的電容器在解剖后兩層金屬化薄膜重疊在一起的圖片,圖4、圖5則是把重疊的兩層薄膜分開后單層薄膜的電離狀況。該電容器使用邊緣加厚金屬化薄膜制造。仔細觀察圖4、圖5可以看到,兩層薄膜上的氣隙電離現象有三個特點：其一是在金屬化邊緣加厚區電離斑點較少而且面積較小,這是因為在邊緣加厚部位的金屬化鍍層較厚,并由此導致了電容器芯子在壓扁定型時薄膜層與層之間相對致密而氣隙較少的緣故;其二是在金屬化加厚區和普通區的交界處,均有一排面積較小但非常密集的電離斑點,這一方面是由于金屬化鍍層在此有一個由厚向薄的過渡帶,導致該處氣隙較多,因而氣隙電離也就較多,另一方面是由于該處鍍層厚度尚未明顯降低,氣隙電離時蒸發掉的金屬較少而致電離斑點也較小;其三是在薄膜寬度方向靠近鍍層加厚區一側、離開加厚區的部分,因為金屬化鍍層較薄,氣隙也較多,同樣的放電能量能蒸發掉更大面積上的鍍層金屬,因而導致了這一區域產生大量面積較大的電離斑點。

圖4 圖3中重疊的介質分開后一層薄膜的狀況Fig.4 The status of a dielectric layer after the overlapping dielectric layer shown in figure 3 being separated

圖5 圖3中重疊的介質分開后另一層薄膜的狀況Fig.5 The status of another dielectric layer after the overlapping dielectric layer shown in figure 3 being separated

3 氣隙電離的后果

在燈箱上和高倍放大鏡下觀察上述圖2至圖5所示的氣隙電離現象可以發現,電離斑點所在位置的介質薄膜基本正常,均沒有發生穿孔,僅是表面上金屬化鍍層被蒸發掉而已。圖4中幾個電離斑點的放大圖片見圖6。其他發生更為嚴重氣隙電離的電容器,盡管電容量下降甚至超過50%,但電容器仍未發生擊穿的現象也可以證明此點。因此可以判斷,對于金屬化薄膜電容器而言,無論是短時內強迫發生的氣隙電離,或是在較長工作時間內逐步發生的氣隙電離,實際上不會發生介質的電離擊穿,也就是說,金屬化薄膜電容器不存在介質電離擊穿的問題,因為一旦氣隙電離發生,其造成的電離斑點已經沒有了金屬化鍍層而不再處于電容器的工作電場之中,也就不存在介質進一步被擊穿的問題。因此,在脈沖或交流電壓的作用下,電容器介質和相鄰電極鍍層之間的氣隙電離帶來的后果不是文獻所述 “交流電壓下的電離性擊穿[3]”,而是大量產生的電離斑點造成了極板面積的明顯減小,從而造成電容量的顯著下降而致電容器失效,嚴重縮短了電容器的使用壽命。對于脈沖功率電容器而言,如果存在氣隙電離這一問題,則可能因為電容量的減小而達不到輸出能量的要求,導致脈沖功率裝置無法正常運行;對于電動機運轉電容器而言,則由于電容量的減少會導致力矩減小,使得電動機不能正常運轉。

圖6 圖4中幾個電離斑點的放大圖片Fig.6 The magnified photograph with a few of ionization spot shown in figure 4

4 氣隙電離與自愈擊穿的區別

金屬化薄膜電容器在介質擊穿時具有自愈的功能,自愈時也會發生放電聲響并形成基本規則為圓形但大小不一的斑點,并導致電容量的減小。由此在一些場合會把氣隙電離和擊穿自愈兩者混淆起來,但實際上它們卻是兩種不同的物理現象。不同于氣隙電離的發生機理,自愈是在介質擊穿瞬間,電容器的兩個電極間在擊穿位置發生間隙放電并形成瞬間的電流通路,導致了瞬間的過電流流過,間隙放電和瞬間過電流產生的熱量蒸發掉穿孔點周圍介質上的小塊金屬化鍍層而形成斑點,并因此把穿孔點孤立于電容器工作電場之外而自愈。顯然,不同的發生機理導致了氣隙電離和擊穿自愈兩種現象存在著有無擊穿孔的根本區別。此外,應該如何有效防止這兩種現象的發生,也有著完全不同的途徑。圖7是一個擊穿自愈斑點的圖片,在放大鏡下仔細觀察自愈斑點,可以看到在擊穿孔周圍存在著一圈薄膜受熱收縮形成的堆積物。

圖7 金屬化薄膜擊穿并自愈后的圖片Fig.7 The photograph of metallized film after breakdown and self healing

5 氣隙電離的等效電路及分析

上述分析表明,對應用于脈沖和交流狀態的干式金屬化薄膜電容器而言,氣隙電離是一個必須引起足夠重視的問題,有必要進一步深入分析。

文獻建立了具有封閉氣隙的無機介質電容器模型,并導出了模型的等效電路[3]。參照其原理,可以建立氣隙在介質和金屬化鍍層之間的金屬化薄膜電容器模型及其等效電路如圖8。在電容器中,氣隙的分布是不均勻的,各個位置的氣隙大小也不相同。按照模型,僅針對某一個扁平型且垂直于電場方向的氣隙具體分析其擊穿電壓和電容器開始發生氣隙電離的門檻電壓之間的關系,并分析影響氣隙電離的三個因素。

圖8 分析氣隙電離的電容器模型和等效電路Fig.8 The capacitor model and equivalent circuit for analysis of air ionization

在圖8中,處于電場中的氣隙具有厚度d1及面積S時,實際上構成了一個電容器。由于空氣的相對介電常數近似為1,因此其電容量C1=ε0S/d1,ε0為真空絕對介電常數;而對應于氣隙,由相對介電常數為εr、厚度為d的介質構成了面積和C1相同的電容器C2,其電容量為C2=εrε0S/d。顯然,如圖所示,當在電容器的兩電極間施加電壓U時,處于同一電場中的介質電容器C2和氣隙電容器C1上的分壓關系為U2/U1=C1/C2=d/(εrd1),因而有：U2=U1d/(εrd1),所以有U=U1+U2=U1[1+d/(εrd1)]。

根據對氣隙電離現象的分析,在上式中當分配在氣隙電容上的電壓U1達到氣隙的擊穿電壓Ub時,氣隙開始發生電離。此時施加于電容器電極的電壓U=Ui,稱之為電離電壓,實際上就是電容器可能發生氣隙電離的起始門檻電壓,于是有：

式中：Ub作為空氣氣隙的擊穿電壓,在同樣外部條件下可以認為其值是不變的。因此,式(1)表明了電容器的電離電壓Ui受d、εr和d1影響的關系。介質厚度d越大、相對介電常數εr和存在的氣隙d1越小,越有利于提高電容器電離電壓Ui的水平。但在工程上,由于介質厚度的增加會顯著增大電容器的體積而沒有選擇的空間,所以不可能通過介質厚度來提高電離電壓;而對于介質相對介電常數,就目前狀況而言,基本上沒有選擇的余地。因此,影響電容器電離電壓Ui的主要因素是介質層間存在的氣隙d1。如同前文對氣隙電離實例的描述和分析,電容器產生電離斑點的狀況,主要取決于介質層間存在氣隙的狀況,包括氣隙的多少、大小和位置的分布,也和導致氣隙電離發生時氣隙所處電場強度的大小以及對應位置鍍層金屬的厚薄等因素有關。

根據式(1),可以具體分析介質相對介電常數εr和存在的氣隙d1對電容器電離電壓Ui的影響程度。

6 介電常數大小對氣隙電離的影響

雖然目前對介質相對介電常數基本沒有選擇余地,但在脈沖功率電容器的研發中,為了提升能量密度指標,往往會追求相對介電常數更高的聚合物介質,希望εr達到10甚至更高。如此材料制成的電容器,其他如放電特性等性能不論,單就氣隙電離可能導致電容器電容量下降、充放電壽命縮短就是一個不容小覷的問題,必須重視。由此,對于相對介電常數εr對氣隙電離的影響,使用比較方法進一步作如下分析：

假定有2只電容器Ca和Cb,他們的d和d1均相同,但介質的相對介電常數εr不同,而且有εrb=nεra,n＞1。根據式(1)有：

于是有：

由于n＞1,必然nd＞d

因此：Uib/Uia＜1

式(2)表明介質相對介電常數εr大的電容器在d和d1相同條件下比εr小的電容器電離電壓會降低,而且εr越大,電容器的電離電壓降得越低,在同樣工作電壓下更容易發生氣隙電離。如果考慮在金屬化薄膜電容器中氣隙厚度d1非常之小,遠不足以用μm來度量,在式(2)中把d1項舍去,則有：

式(3)中的n為兩種介質材料相對介電常數大小的比值,該式近似表明了介質相對介電常數大小影響電容器電離電壓高低的反比關系。按照此式,如果使用相對介電常數為11的聚合物介質制造電容器,則與使用聚丙烯膜介質的相同電容器比較,前者的電離電壓即開始發生氣隙電離的門檻電壓會降低至后者的大約1/5。

7 氣隙多少對氣隙電離的影響

有文獻指出,“有這樣一個最小電壓值約250 V(有效值),比它再低時,游離就不發生了[4]”。實際上,這一“最小電壓值”的界限是有氣隙多少的條件的。如果包括工藝在內的各種因素不能保證電容器介質層間存在的氣隙低于某一水平,則很可能在200 V(有效值)甚至更低的情況下,仍然會發生氣隙電離。可以作如下分析：

假設金屬化聚丙烯膜電容器C在介質厚度為d、層間氣隙為d1時的電離電壓為Ui,如果C的層間氣隙d1增加為d1′且d1′=nd1,n＞1,那么該電容器的電離電壓Ui′會在Ui的基礎上下降多少?

根據上述假設和式(1),有：

由此：

由于n＞1,必然nd＞d

因此：Ui′/Ui＜1

式(4)表明,介質層間氣隙多的電容器,其電離電壓一定偏低。如果考慮氣隙厚度d1遠不足以用μm來度量,在式(4)中把d1項舍去,則有：

式(5)中的n為同樣電容器中介質層間氣隙多少的比值,該式近似表明了電容器介質層間氣隙多少影響電容器電離電壓高低的反比關系。如果由于材料、工藝等因素導致電容器C的層間氣隙在原來d1的基礎上增加25% 即n=1.25,則電容器C的電離電壓可能從原來的Ui下降為0.8Ui,即是說如果Ui原來為250 V(有效值),則氣隙增加一定量后可能Ui就降為200 V(有效值)了。

8 解決氣隙電離的參考途徑

在大多應用場合,額定的脈沖電壓或交流電壓都會遠高于電容器的電離電壓。在此條件下,解決電容器的氣隙電離問題只有兩條途徑：其一是消除存在于電容器介質層與層之間的氣隙;其二是采用多串聯的辦法使其中每一串電容器上的工作電壓低于其電離電壓,從而不會發生氣隙電離。

圖9、圖10顯示了兩只圓柱形多串聯電容器在同樣條件的脈沖充放電試驗24萬次并解剖后金屬化薄膜(重疊在一起)的狀況[5]。顯然,圖10電容器發生了嚴重的氣隙電離,致使其與標稱值0.02 μF相比,電容量下降了17%,僅為0.0166μF,而且可以看到電離斑點大量發生在金屬化鍍層條的邊沿,和圖2所示狀況相似。其原因也和圖2電容器相同,是由于金屬化鍍層厚度和薄膜表面之間的空隙處積聚了較多氣隙而造成,由此也能看出氣隙d1之小。而圖9電容器測量電容值幾乎沒有變化,解剖圖片顯示金屬化薄膜狀態正常,沒有發現電離斑點。這兩只電容器額定指標相同,尺寸均符合要求,只是設計上圖9電容器比圖10電容器多了一串。由此可以推測,恰恰是多出的這一串降低了每串電容器上承受的試驗電壓,使得此試驗電壓低于了它的電離電壓。根據上述分析的結果還可以推測,若使用εr較高的介質材料來制造上述規格的電容器,則即使采用和圖9電容器相同的串數時也可能導致氣隙電離的發生。

圖11是三組多串聯電容器充放電壽命試驗的曲線圖,三組電容器均為0.02μF,但結構分別為6串、7串和12串,試驗條件為溫度100℃,脈沖電壓15 kV,頻率2.3 Hz[6]。試驗曲線圖表明：2只6串結構電容器在充放電39萬次和78萬次后均發生了嚴重的氣隙電離,致使電容器的電容量發生雪崩式大幅下降;而7串結構的電容器在180萬次充放電試驗后電容量下降約為10%;至于12串結構的電容器則在180萬次充放電試驗后電容量變化很小,基本沒有發生氣隙電離。

圖9 充放電試驗后基本正常的金屬化薄膜Fig.9 Basically normalmetallized film after charge and discharge test

圖10 充放電試驗后發生氣隙電離的金屬化薄膜Fig.10 Themetallized film occurred air ionization after charge and discharge test

圖11 三組高壓電容器充放電壽命的比較Fig.11 The comparison of charge and discharge life of three sets of high voltage capacitors

上述兩例高壓電容器充放電壽命試驗結果表明,對于在脈沖或交流工作狀態的電容器,尤其是高能量密度要求下的干式高壓脈沖功率電容器,必須設計有合理的串聯數才能防止其氣隙電離的發生,由此提升其充放電次數,保證達到更高使用壽命的要求。如果為了提升電容器能量密度指標而使用相對介電常數εr較大的介質材料,則對串聯數會有更高的要求,并且由此也會對介質材料的厚度控制造成更大的難度。

9 結論

在儲能、電力等領域,使用干式金屬化薄膜電容器已成為發展趨勢。但干式電容器在制造過程中介質薄膜層間不可避免存有氣隙,當運行的脈沖或交流電壓超過電容器的電離電壓時,在電場作用下上述層間存在的氣隙會發生電離,導致金屬化鍍層被蒸發而形成大小不一的電離斑點。不斷發生的氣隙電離會嚴重減小金屬化鍍層電極的有效面積,從而顯著降低電容器的電容量而影響整個系統的正常運行。分析表明：氣隙電離不會導致電容器介質的電離性擊穿,只會因電容量的減小而降低其使用壽命;使用相對介電常數較大的介質材料制造的電容器,使用時發生氣隙電離的門檻電壓會降低,在相同工作條件下更易發生氣隙電離;交流狀態工作時,只要低于250 V(有效值)即可防止發生氣隙電離這一認知是有條件的,如果氣隙偏多,即便在200 V(有效值)或更低工作電壓時同樣可能發生氣隙電離,這種氣隙多少對于電離電壓高低的影響在脈沖功率電容器中同樣存在;通過多串聯方法降低每一串電容器上的工作電壓,使之低于其電離電壓可以有效地防止氣隙電離的發生。對于干式高能量密度的脈沖功率電容器而言,為了保證其在允許的容衰條件下獲得更多的充放電次數,從而延長電容器的使用壽命,這一點尤其重要。