节能灯用金属化薄膜电容器脉冲能力研究

贾建州

【摘要】节能灯用金属化薄膜电容器受电流冲击大，通过分析流过金属化薄膜电容器的脉冲电流、dv/dt，提出影响金属化薄膜电容器脉冲能力的因素，在设计上提出了提高金属化薄膜电容器脉冲能力的途径，采用小间距边缘加厚波浪边的铝金属化膜，喷涂金属铝作为金属化电极的过渡层，可以大幅度提高金属化薄膜电容器的抗脉冲能力。

【关键词】节能灯;金属化薄膜电容器;电冲击;脉冲电流;dv/dt;脉冲能力;铝金属化膜;边缘加厚;波浪边;喷铝

节能灯具有光效高、显色好、使用电压宽、寿命长，体积小，使用简便，是现代室内照明的典型光源。紧凑型电子节能荧光灯是由异形节能荧光灯管、电子节能镇流器所组成的，这种结构的灯具，将小型电子镇流器安装于灯具全密封塑壳中。

图1 节能灯电路图

图1是一款典型的紧凑型电子节能荧光灯电路图，负载谐振电路C4工作频率大于20KHz，有的甚至高达75KHz，需要承受相当大的脉冲电流。另外节能灯频繁的开关，电容器还需要承受很大的电流冲击，节能灯要正常工作8000小时以上不失效，因此要求C4电容器耐高温度、小体积、高频损耗小、抗脉冲能力强、长寿命。

1.电容器的脉冲能力

通过金属化薄膜电容器（后面简称电容器）的脉冲电流（峰值电流用IP表示）等于电容量与电压爬升速率的乘积，即：

Ip=C×dv/dt（A）                    （1）

电路中        （2）

（3）

其中中C为电容量（μF）、U0电容充电电压（V）、dv/dt—电压爬升速率（V/μS）、L电路中的电感量（μH），对于固定容量值的电容器，其承受的最大脉冲峰值电流和dv/dt成正比，dv/dt越大表明电容器抗脉冲峰值电流的能力越强，反之电容器的抗脉冲峰值电流的能力就弱。

对于卷绕型金属化电容器，其电容量C为：

（4）

式中C—电容量（μF）、ε—介质的介电常数、b—有效宽度（mm）、L—有效长度（m）、d—介质厚度（μm）。

将（4）带入（1）：

（5）

现定义有效载流峰值电流面密度为IS：

（6）

d0为有效载流峰值电流厚度，L0为有效载流峰值电流长度，由（6）得：

（7）

從（3）、（7）可得dv/dt与电路中充电电压成正比，与电路中的LC平方根成反比，与电容器的介质介电常数ε成反比，与介质厚度成正比，与有效载流厚度成正比、与有效载流长度成正比，所以电容器承受脉冲的能力与金属化膜介质类型（聚脂PET、聚丙稀OPP、聚萘乙酯PEN、聚苯硫醚PPS等）、介质的厚度、宽度、金属化电极所用的金属材质（铝、锌铝）、金属化镀层的厚度（方阻）有关。

2.提高脉冲能力的途径

金属化膜电容器的电极是由真空蒸镀在有机薄膜上一层铝或者锌铝做电极，厚度很薄一般仅20nm～100nm，卷绕后的芯子通过端面喷涂金属、焊接引出线将金属化电极引出，如图2所示。

图2

图3 充放电电路

图4 放电电压波形

图2中金属化电极、喷金层、引出线电阻远小于喷金层和金属化电极间的接触电阻，因此在长时间大的脉冲电流冲击时，喷金层和金属化电极接触处电流密度最大，也最容易发热，紧凑型节能灯灯壳内温度高，有的甚至超过了100℃，电容器所处的高温环境加上芯子内部持续的发热会导致介质膜受损，接触点的金属层烧毁氧化，这样一来喷金层与金属化电极接触电阻进一步升高，发热能量更大，如此循环会导致产品最终失效，因此电容器抗脉冲能力和介质类型喷涂用的金属材质（锌、锡锌、铝）、金属化膜边缘分切方式（直切、波浪切），喷金材料与金属化电极的结合强度有关，在设计上要优先考虑以下因素。

2.1 介质类型

目前运用最为广泛的介质为聚脂（PET）和聚丙稀（OPP），虽然聚丙稀的介电常数小更适合做脉冲电容器，但聚丙稀耐热差，在紧凑型节能灯中采用聚脂膜更有优势，使用聚脂膜膜作电容器尺寸小、耐热性好。

2.2 结构

采用小间距、比较厚的金属化膜，可以减小有效宽度，提高有效载流长度，提高dv/dt值，提高电容器的脉冲的能力，但在实际中由于客户对电容器尺寸有一定的要求，所以要选取适当的金属化膜的厚度、宽度。

2.3 金属化电极的选取

金属化电极最常用的材料为铝和锌铝，由于锌性能比较活泼，在高温下容易氧化，所以常用铝作为金属化电极材料;另外金属化镀层要有一定的厚度，才能承受较大的电流，但镀层太厚会导致电容器自愈能力下降，耐电压下降，因此采用适当的金属化镀层的厚度（常用方阻表示）是必要的，而采用边缘加厚的方法，既可以提高有效载流厚度，又能满足电容器自愈要求。

2.4 喷金材料

喷金所选取的材料与镀层金属的晶格结构属同一晶系的成份时，有助于二者结合，提高其机械强度，喷金料中的主要成份的电极电位与金属镀层的电极电位相接近，有利于减小二者之间作为欧姆接触引起的电位差，这样可获得电气良好的接触。从而提高电容器的脉冲能力，所以在选用喷金材料时要与金属化电极材料一起考虑。

2.5 波浪边

金属化膜边缘采用波浪边，可以大大提高喷金与金属镀层的连接强度，减少喷金层和金属化电极间的接触电阻，这个已被越来越多的电容器厂家所采用。

3.试验结果与结论

为了验证，笔者对节能灯常用规格CL21-250V-47nF采用聚脂膜5μm厚度，选择不同宽度、有无加厚的金属化铝膜，采用两次喷涂法，第一次喷铝作为金属化电极的过渡层，第二次喷锡锌作为焊接用的焊接层，做成电容器后进行对比测试，试验方案见表1所示。

表1 试验方案

方案 间距（mm） 金属化膜 喷涂

A 10 铝膜无加厚 锌

B 7.5 铝膜无加厚 锌

C 7.5 铝膜加厚 锌

D 7.5 铝膜加厚 铝

E 7.5 铝膜加厚波浪边 铝

表2 芯子尺寸（mm）

脚距 宽度 高度 厚度

10 9.5 4.7 1.5

7.5 7.0 5.3 2.2

表3 测试结果

方案 充放电次数后不合格数量

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充电电压1000V，充电1s放电1s，电阻R2为短路状态，电感L为0.07μH，测试5只产品，容量变化率△C/C≤5%，损耗角正切值1KHz tgδ≤0.7为合格，测试结果见表2所示。

实测放电电压波形（如图4所示）dv/dt= 18000V/μS，通过电容器的脉冲峰值电流高达846A，方案A经过20次充放电后全部失效，B、C、D随着充放电次数的增加陆续失效，只有E方案在1000次充放电后仍全部完好。

方案A和B只有间距不同，可以看到间距小的产品抗脉冲能力比要好，金属化膜边缘加厚后电容器的抗脉冲电流的能力明显提高，喷铝的电容器抗脉冲能力优于喷锌的，采用喷铝波浪分切后电容器的抗脉冲能力大幅度提升，主要原因就是喷涂的铝和金属化铝电极是同一种材料，它们间结合强渡高，而波浪边更加提高了喷金层和金属化电极的连接强度。

图5 失效样品金属化膜边缘镀层损失

从失效样品解剖看，全部是边缘镀层损失了（如图5所示），主要原因就是和喷金接触的地方受到大电流连续的冲击，接触处发热镀层被烧蚀。

4.结论

小间距增加了金属化薄膜电容器的抗脉冲能力，金属化膜边缘加厚可降低了受电流冲击后镀层损失，喷铝优于喷锌的产品，而采用波浪边后电容器抗脉冲能力得到了大幅度的提高。

参考文献

[1]李家寿.电容器所能承受的脉冲电压斜率[J].电力电容器，2006（2）：31-33.