脉冲功率电容器的应用和发展

周水杉，章 莉



脉冲功率电容器的应用和发展

周水杉1，章 莉2

（1. 中国电子科技集团公司第13研究所，河北 石家庄 050051；2. 成都宏明电子股份有限公司，四川 成都 610051）

介绍了国内外脉冲功率电容器的应用和研制现状，重点介绍了高储能密度电容器介质材料和脉冲功率电容器的性能参数，指出了今后需要解决的主要问题，总结了脉冲功率电容器的发展趋势，提出了发展我国脉冲功率电容器的建议。

脉冲功率电容器；高储能密度；综述；电介质材料；脉冲参数；发展建议

新概念电磁武器和脉冲功率技术密切相关。脉冲功率技术以电能为基础，通过对电源能量在时间和空间上进行压缩，并在特定负载上快速释放，获得极高的脉冲功率输出。脉冲功率电容器是新概念电磁武器包括电磁脉冲武器（微波高功率电磁脉冲武器、强激光武器和粒子束武器）和电磁动能武器（电磁轨道炮、航母飞机电磁弹射器EMALS、卫星变轨、火箭增程）等的脉冲功率电源的关键件[1-2]），也是激光激发核聚变系统的基础件[3]。不同应用要求的脉冲宽度见表1。

表1 不同应用要求的脉冲宽度

Tab.1 The pulse widths of the different applications

美国目前每门电磁轨道炮需储能电容器约18 t，储能32 MJ。据CCTV于2010年12月14日新闻报道：美国海军宣布成功试射电磁轨道炮，炮弹速度达6~7.5倍音速(2~2.5 km/s)，6~7 s射程达110海里(约200 km)。GA公司在3 MJ原形能源模块(由12个255 kJ电容器构成)试验基础上，已经研制成功车载移动、陆基固定式（液体冷却、重复点火）和舰载三种电磁轨道炮[4]。

美军每艘航母约需70 t储能电容器，弹射时间峰值功率达122 MW。EMALS系统包括启动直线感应电动机组件、储能子系统、电力电子转换系统、弹射控制系统和配电传输系统。GA的核心技术是大量脉冲功率电容器的接力式放电的精确控制，构成大型脉冲形成网络(PFN)。GA的EMALS系统已装备福特号核动力航母，2022年将装备肯尼迪号航母[4]。

美国NIF（国家点火设施）于2004年完成。每个电容器电容量为299 μF，工作电压24 kV，工作温度10~40℃，储能密度0.84 J/cm3，储能86.1 kJ，放电电流30 kA（极限电流95 kA），放电寿命为26 kV，100次或24 kV，2万次，反向电压10%（极限反向电压65%），等效串联电阻ESR≤25 mΩ（100 Hz）、ESR≤8 mΩ（4 kHz）。电容器串联谐振频率s=20 kHz，等效串联电感ESL=183~199 nH，NIF由1 200个电容器组成，总能量103.3 MJ。

我国ICF（惯性约束核聚变）点火工程已列为国家中长期科学和技术发展规划十六项重大专项之一。中国工程物理研究院研究成功的神光3号[3]，由108套1.2 MJ能源模块组成，分成两个能库，1.2 MJ能源模块采用34台脉冲功率薄膜电容器（25 kV，10 kA，110 μF，30.4 kJ，0.5 J/cm3）组成，总储能110 MJ，脉冲放电宽度610 μs，放电电流250 kA。据中国科学报2014年10月19日报道，中国工程物理研究院研究成功的Z箍缩超高功率脉冲强流加速器-聚龙一号，直径约33 m，高度近7 m，它由储能系统、脉冲形成与传输系统、电流汇聚系统、物理负载系统和辅助系统等组成，采用144台脉冲功率电容器、720个场畸变开关、24台激光触发气体开关、12台高性能激光器，装置输出了9×106A峰值电流，电流脉冲上升时间小于1 ns，国内首次获得软X射线辐射能量达590 kJ，成为我国超高脉冲功率技术发展的又一里程碑。

新概念电磁武器用储能电容器不是超级电容器，也不是电池，而是脉冲高功率（3~40 kV，3~150 kA），毫秒、微秒或亚微秒级快放电“脉冲功率电容器”。低电压(3 V)超级电容器要数千只串联才能达到3 kV以上，等效串联电阻和串联电感太大，难以脉冲快放电。电池也不能用于脉冲快放电。

1 脉冲功率电容器国内外发展现状

据GA公司报道，在美国国防部和能源部合同支持下，GA公司与陆军研究实验室、海军研究办公室、美国宇航局喷气推进实验室、国家原子能机构和桑迪亚国家实验室合作，过去十年脉冲功率电容器技术有了长足进步，已经研制成功电磁轨道炮、航母飞机弹射用脉冲功率有机薄膜电容器。在提高储能密度方面：1999年达0.7 J/cm3，2004年达1 J/cm3，2008年达2 J/cm3，2010年达3 J/cm3。

毫秒级放电电容器现状见表2。GA公司高储能密度电容器水平（CMX型）见表3。GA公司网站最新产品目录有3283CMX2640、3565CMX2160、4113CMX3400三个型号，储能密度均为2 J/cm3，储能255 kJ，质量140 kg，尺寸为343 mm×406 mm×914 mm，充放电寿命5万次。

表2 毫秒级放电电容器发展史

Tab.2 History of millisecond discharge capacitor

表3 GA公司高储能密度电容器水平（CMX型）

Tab.3 Performance of GA high energy density capacitor (CMX)

西安交通大学电气工程学院杨兰均等最早研制成功储能密度1.3 J/ cm3脉冲功率电容器（452.8 μF，10.2 kV）。华中科技大学林福昌等最近在实验室研制出储能密度2.7 J/cm3，放电寿命大于1 000次以及储能密度2.2 J/cm3，放电寿命大于2 000次的脉冲功率电容器。上海上电电容器厂2008年研制成功储能50 kJ、储能密度达2 J/cm3高比能脉冲电容器（7.12 kV，1 975 μF或10.68 kV，876 μF）；2015年研制成功储能100 kJ、10 kV、储能密度达2 J/cm3高比能脉冲电容器（充电15~90 s，保持0~10 s，放电寿命达1 000~ 5 000次）。成都宏明电子股份有限公司和铜峰电子公司也开展了脉冲功率电容器的大量研制工作。

2 高储能密度电容器介质材料的进展

储能密度的计算公式为：

(J/cm3) = 4.44×10–6×PF×r×2（1）

式中：r为相对介电常数；为场强V/μm；PF为储能电容器总的体积封装因子，主要取决于电压和峰值电流，对毫秒级放电电容、工作电压≤5 kV，可取70%~80%，而对微秒级放电应取小于50%；的典型值为500~800 V/μm。安全膜电容器短寿命（1 000次）设计，可采用90%的击穿电压。对长寿命、高可靠或高稳定的要求，则应显著减少场强。提高储能密度主要是提高介质场强，相应要求聚合物薄膜有更高的树脂纯度（如控制相态和分子量分布，提高纯度、结晶度和等规度，电子级PP膜要求脱灰等），减少金属化电极在每次自愈中的损害，工艺最佳化以保证薄膜层间无气隙，充分考虑充放电过程的热效应（降低ESR、ESL），改进结构和喷金工艺，降低端接触电阻等。

目前主要有以下材料体系：

2.1 聚合物介电薄膜

2.1.1 基于线性的耐高压聚合物介电薄膜

此类材料r不高，耐电强度b较高（可达500~800 V/μm），如BOPP双向拉伸聚丙烯薄膜，其r=2.2，密度0.905 g/cm3，包括金属化电极或安全膜电极，浸渍和干式等多种结构，可以满足电容储能密度3 J/cm3以下的要求。又如DUPONT公司开发的高压聚萘脂Teonex，r=2.9，b= 400~500 V/μm，工作温度可达155℃；GE公司开发的PEI聚醚酰亚胺r=3.4，b= 670 V/μm，电容储能密度可达4 J/cm3。目前常用薄膜电容器介质材料主要性能见表4。

表4 常用薄膜电容器介质材料主要性能

Tab.4 Properties of dielectric materials used in thin film capacitors

目前国际最高水平的MOPP金属化聚丙稀薄膜（耐温105℃）供应链为：芬兰BOREALIS TECH OY有限公司PP聚丙稀原料→奥地利BOREALIS AG公司 HB300BF高等规度条料→德国Treofan Germany Gmbh& Co.KG公司PHD型820 V/μm的BOPP光膜→德国Steinerfilm公司700 V/μm的MOPP金属化薄膜，最薄的金属化聚丙稀薄膜为1.9 μm。

2.1.2 用低损耗聚合物改性的铁电高介聚合物

如基于PVDF的多元氟基高分子材料。美国国防部合同支持的宾州战略高分子科学公司和宾州大学材料学院合作，章启明等研制出高能辐照PVDF-TrFE (摩尔比75:25)共聚物和PVDF-TrFE- CFE /CuPc(摩尔比58.3:34.2:7.5)三元共聚物，r分别达16，25，39，46~53，b达400~632 V/μm，tan≤0.08，满足电容储能密度9~25 J/cm3，共聚物密度2.2 g/cm3[5]。

2.1.3 有机金属聚合物

如酞氰铜系高分子材料。美国海军实验室支持的美国密歇根大学理查德·伯恩斯坦学院研制成功的有HBCu-Pc，r= 45.8~46.3，b=260 V/μm；HBCuPc-TPA- CN，r=11；HBCu-Pc /PMA，r=15，tan=0.002[6]。后两个材料体系用熔融挤压双向拉伸成2~10 μm薄膜，在实验室已做出电容储能密度10 J/cm3的电容器。

2.1.4 纸膜复合

膜材为带氰基、氟基的硅氧烷聚合物与纳米钛酸钡陶瓷复合。1992年美国国防部导弹防御局（Missile Defense Agency）根据小企业创新研究计划（SBIR）向美国TPL公司提供1000万美元研究经费，用于开发高储能密度电容器。TPL公司2001年7月24日申请美国专利US6265058，复合材料测试性能为：r=9.3，tan=0.03，b= 374 V/μm，绝缘电阻率为1014Ω·cm，电容储能密度可达4 J/cm3，比PVDF提高近1倍。

2.1.5 气相沉积复合薄膜

俄罗斯提出用CVD或微波等离子方法制备的金刚石薄膜r=3.5~5.8，b=1 000 V/μm，且有高导热系数206 W/mK，低温度系数1×10–6/K，电容储能密度可达12 J/cm3，但成本较高，因此建议在高分子薄膜表面气相沉积一层金刚石薄膜，形成复合薄膜，以改善脉冲功率电容器的散热特性[7]。

2.2 介电陶瓷

2.2.1 反铁电陶瓷

Pb0.97La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3系统MLCC工艺，r= 200~500，b=20~50 V/μm，电容储能密度可达4~12.4 J/cm3，通常工作电压≤3 kV，放电次数≤3 000次，适合脉冲点火用[8]。美国Novacap公司早已生产基于反铁电陶瓷的脉冲点火电容器及其组件，但近年因故已将产品目录删除。中国专利CN 102432291B介绍了宏明电子科大新材料公司“一种反铁电陶瓷电容材料及其制作方法”，CP41L-7860-1250V-104K型脉冲储能电容器，密度7 g/cm3，介质损耗为0.12%，放电电流1 300 A，放电次数1 500 次以上。

2.2.2 交流高压低损耗Ⅰ类瓷

该类介电陶瓷器件性能参数为：r=410~560，b≥40 V/μm，tan≤0.005，尺寸14.7 mm×17.3 mm×5 mm，约60层，电容量0.8 μF，工作电压1 500 V，3只并联，放电电流达2.3 kA，福建火炬电子公司已经投产，其电容储能密度小于1 J/cm3[9]。

2.2.3 氮化氧铝（AlON）

由N2和O2反应溅射形成500 nm薄膜，其r=8~9（20 Hz ~ 1 MHz），tan≈0.003，b=600 V/μm，采用铝电极10~50 nm，7层，电容量1.2×10–9F/mm2，工作温度范围可达–200~+400℃，电容储能密度可达14.1 J/cm3[10]。

2.2.4 高介陶瓷

包括晶界层半导体陶瓷：Nb2O5改性SrTiO3，清华大学专利号CN 94104452.1和CN1063732C，r=1.9×104~9.7×104，tan= 0.8%~1.9%，工作电压50~100 V，如果实现MLCC工艺，可实现大容量、小体积；钙钛矿结构CCTO（CaCu3Ti4O12）巨介电陶瓷材料和LSNO (La2−xSrNiO4)，其r=104~105，tan≈0.03，特别是在很宽的温区范围内（100~400 K）介电常数值几乎不变；澳洲国立大学刘云等研究了NbAl复合掺杂TiO2，即Ti0.995(NbAl)0.005O2，形成表面层半导体陶瓷（SBLC），r＞104，但高介陶瓷通常损耗较大，耐电压≤16 V，可靠性较差，未见用于脉冲储能电容器的报道。

2.3 超薄玻璃电介质

美国宾州大学测试了德国Schott Technologies公司生产的AF-45超薄(18 μm)无碱玻璃（63%SiO2-12%BaO-16%B2O3-9%Al2O3），其r=6.2，b=1 200 V/μm，tan=0.000 9，电容器温度系数(CTE)为4.5×10–6/K，耐高温（可达200℃），抗辐照（玻璃电容器抗核辐射能力可达1016Flux/cm2，比陶瓷电容器高10倍，比有机薄膜电容器高100倍，比电解电容器高500倍），电容储能密度可达35 J/cm3[11]。美国康宁公司已可生产超薄柔性玻璃。有报道采用多层铜电极的玻璃电容器平板组成电子设备的外壳，用作系统的储能单元。

3 脉冲功率电容器的参数

常规参数：电容量、电容器损耗tan、绝缘电阻IR、额定工作电压R(DC/AC)、RMS(交流有效值）；

脉冲参数：总储能= 1/22；储能密度(J/cm3、J/g)；充放电时间（ms、μs、ns），充放电波形（正向、反向），充放电寿命（电压步进充放电寿命；固定电压充放电寿命）；ESR、ESL；放电峰值电流PP=d/d，放电速率d/d，d/d；发热温升Δ；保险因子2（熔断电流与熔断时间），单位J/Ω。

对脉冲功率电容器的设计和工艺应重点瞄准脉冲参数进行，特别应深入开展充放电寿命的研究[7,12-15]。GA公司对脉冲功率电容器的设计和充放电寿命进行了系统研究。如研制的毫秒级放电电容器CMX型工作在3 J/cm3，充放电寿命为1 000次，降额为2.4 J/cm3使用，则寿命延长10倍为1万次；降额为2 J/cm3使用，则寿命再延长5倍为5万次；如降额为1 J/cm3，则寿命又提高200倍，达1 000万次。如将电容器放在液氮温度下工作，充放电寿命可增至7倍。GA-ESI公司的前身MAXWELL实验室脉冲电容器充放电寿命5要素：充电电压下降1/2，充放电寿命增加109倍；反峰电压下降20%，充放电寿命是80%的100倍；工作温度上升4.5度，充放电寿命下降1/2；重复频率提高10倍，充放电寿命下降到1/250；震荡频率由40 kHz下降到10 kHz，充放电寿命增加1.7倍。

4 面临问题

比较聚合物介电薄膜、介电陶瓷和超薄玻璃电介质，由于聚合物介电薄膜有较高的耐电强度，便于大面积拉成超薄薄膜，适应自动化卷绕工艺，金属化安全薄膜电容器可提供较高的能量密度或给定能量密度下最长的充放电寿命，安全膜允许工作于略低于介质的击穿电压下，因此大大提高了体积利用率，同时大幅度降低了电容器的成本；利用金属化薄膜的自愈特性，用适度的脉冲放电可筛选出金属化层缺陷导致的早期失效，从而使电容器可靠性大大提高。特别是从性价比、密度（0.905 g/cm3）对比，MOPP金属化薄膜仍然是满足电容储能密度3 J/cm3以下要求的优选方案，也是研制新聚合物性能评估的参考基准。

问题一是新型基于PVDF的多元氟基高分子材料的学术成果能否工程化？由于只注意提高r和b，但介质损耗tan大（>0.01），绝缘电阻IR低，频率特性较差，充放电能量损失大（>50%），难以工程化。

问题二是国内脉冲功率电容器研制和生产工艺结合不佳，未建立先进的设计平台、工艺平台、测试平台和应用验证平台，特别是脉冲功率电容器的脉冲参数研究不深，导致国内脉冲功率电容器的水平至今落后国际水平5年以上。

问题三是国内脉冲功率电容器研制和整机应用结合不深，一方面由于国内脉冲功率电容器研制滞后，使新工程难以启动立项；另一方面由于整机试验滞后，整机单位难以提出科学合理的脉冲功率电容器的指标，因此不能获得最优化的脉冲功率形成网络（储能单元）的整体解决方案。

5 发展趋势和建议

2010年美国国防先期研究计划局（DARPA)国防科学办公室（DSO）战略计划项目安排了“集成式高能量密度电容器”，鉴于高功率系统中无源元件占数量和质量40%~50%，要求利用多种创新方法改进电介质材料，开发研制200℃，20 J/cm3电容器及材料，实现与电力电子器件和传感器集成。可以看出，脉冲功率电容器将向高温、高压、高储能密度、高充放电寿命和集成化方向发展。

一方面，MOPP金属化薄膜电容器可进一步改进。美国提出用氟化二丙稀酸0.1 μm表面处理PP薄膜可使80℃，75V/μm，500 h电容量变化率Δ/从11%降低到1.5%，显著提高充放电寿命；英国1997年提出边卷绕、边涂复浸渍的方法，可提高耐电压[7]；王喜成高工采用中科院长春应用化学所等提供的纯度99.6%以上的气相沉积高分子材料，如果在BOPP表面涂覆0.1 μm薄膜，可望改善脉冲功率电容器的耐压特性[16]。华威聚酰亚胺有限责任公司采用紫外辐照交联，可使155℃，纵向收缩<2%，横向收缩<0.1%，b>500 V/μm，聚丙烯电容膜最高使用温度>130℃[17]）。余维清等[18]采用2 g/10 min的熔体流动指数（MFI)在高于所述半结晶PP聚合物熔点163℃的模头温度225℃下，使用115或200的拉缩比(模头间隙与膜厚之比)制造4~12 μm的HTLS-PP膜，在165℃，30 min下收缩率为零，而常规BOPP膜在165℃，30 min下收缩70%，105℃下才能保证尺寸稳定性。中国科学院长春应用化学研究所通过在聚丙烯分子链上接枝反应型受阻胺类稳定剂，可以提高抗辐照老化特性[19]。使用超薄的金属化聚丙烯薄膜，可以在相同体积下增加并联电容器芯子数量，从而显著降低ESR和ESL，改善脉冲功率电容器的性能。

第(Ⅰ)问需要考生对三角形的内角∠B进行分类讨论，利用正弦定理、同角三角函数基本关系、结合三个内角的关系得到结论．第(Ⅱ)问讨论三角形的边与边的关系，题目给出了两边及其一边的对角，一般情况下这样的条件不能确定一个三角形，但是此处蕴含的边角关系恰好可以唯一确定满足条件的三角形，这需要学生熟练运用正弦定理、三角形的边、角关系解三角形，较好地理解三角形的性质，具有解三角形时根据条件判断所得解是否符合题意的意识．若考生能够通过边的关系推知△ABC为直角三角形，也可通过解直角三角形的方法从而完成该题的解答．这也正是考查考生数学思维、数学能力和素养的反映．

另外，可从新电介质材料研制着手，进行颠覆性创新。包括介电薄膜极化机理、分子结构设计和工程化可能性等的创新。选择科学的阶段性目标，例如r=5~9而不是大于10，尽量提高b和IR，降低tan，以便取得工程化的成果。西安交通大学张志成教授等[20]研制高储能密度聚偏氟乙烯基接枝改性聚合物已取得进展。电子科技大学刘孝波教授等[21]研制聚芳醚腈和超支化酞菁铜复合薄膜，也已取得进展。电子科技大学徐建华教授课题组[22]在氟基聚合物和多省并醌自由基聚合物（PAQR）等新型电介质材料以及电子离域极化机理研究等方面也取得了一定进展。

三是开发脉冲功率电容器在工业、医疗、能源等领域的新应用。如目前世界油气资源采收率为30%左右。采用重复脉冲强冲击波新技术，通过爆震去堵，可提高油气资源采收率。西安贯通能源科技公司大功率高聚能电脉冲装置，已经修井1 000多口，能够恢复或增加产量，有效率达70%。美国钻井采用中国研制的同轴型电容器60 mm×2 000 mm，12 kV，14 μF，10 kA，10 s充一次，放一次，360次/h，放电寿命要求4万次，试验已超过10万次[23]。又如AVX公司网站介绍DISFIM型电容器，用于能源储存与放电应用，基于可控的自愈技术，最大储能150 kJ，储能密度2 J/cm3，ESL=50~500 nH，充放电寿命为数千万次。

建议学习美国以专业电容器公司为龙头，产、学、研、用相结合，整合国内优势资源，组成国家队，抓好全产业链（聚合物研制、薄膜制备、金属化、电容器研制、储能单元研制、应用研究）的系统创新工程，加快我国脉冲功率电容器和脉冲功率形成网络的发展，满足工程配套。

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（编辑：陈丰）

Aplication and development of pulse power capacitors

ZHOU Shuishan1, ZHANG Li2

(1. CETC No.13th Research Institute, Shijiazhuang 050051, China; 2. Hongming Electronics Co., Ltd, Chengdu 610051, China)

The application and development status of pulse power capacitors at home and abroad are introduced. Dielectric material of the high energy density capacitor and the performance parameters of the pulse power capacitors are mainly discussed. The main problems needed to be solved are pointed out, and the development trends of the pulse power capacitors are summarized. Suggestions on the development of pulse power capacitors in China are also gived.

pulse power capacitors; high energy density; review; dielectric materials; pulse parameters; development suggestions

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.020

TM531.2

A

1001-2028（2016）11-0098-05

2016-09-30

周水杉

周水杉（1961－），男，河北邯郸人，高级工程师，主要研究方向为微波元器件、电子陶瓷及高端传感器, E-mail:lxqing9725@sina.com；

章莉（1970－），女，江苏无锡人，高级经济师，主要研究方向为新型电子元件与组件，E-mail:maryli11@sina.com。

2016-10-28 14:14:29

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.020.html