高储能密度脉冲电容器及固态脉冲形成线试验研究

栾崇彪，李玺钦，冯元伟，张庆猛，李洪涛，黄宇鹏

（1.中国工程物理研究院流体物理研究所，绵阳621900；2.北京有色金属研究总院，北京100088）

高储能密度脉冲电容器及固态脉冲形成线试验研究

栾崇彪1，李玺钦1，冯元伟1，张庆猛2，李洪涛1，黄宇鹏1

（1.中国工程物理研究院流体物理研究所，绵阳621900；2.北京有色金属研究总院，北京100088）

基于玻璃-陶瓷材料PbO-SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2（PSNNS）制作了脉冲电容器和固态脉冲形成线，其脉冲电容器在工作电压30 kV、放电电流2 kA、重复频率1 kHz下的短路放电寿命大于100万次，储能密度达到0.85 kJ/L；制作的满银电极的固态脉冲形成线具有良好的矩形脉冲输出，输出电压脉冲半高宽为45 ns。

玻璃-陶瓷材料；脉冲电容器；固态脉冲形成线；储能密度

引言

脉冲电容器和固态脉冲形成线是脉冲功率系统的主要储能元件［1-2］。自1994年E.L.Neau提出高重频固态脉冲功率技术概念后，固态化和体积小型化作为脉冲功率技术发展的新趋势而备受关注，对脉冲电容器和固态脉冲形成线的储能密度、通流能力以及特殊场合的应用提出了更高的要求［3-6］。陶瓷材料由于具有耐温度冲击、耐辐射、易于散热、寿命长等优点而成为制作脉冲电容器和固态脉冲形成线的优选介质材料［6，7］。

本文介绍了基于玻璃陶瓷材料制作的脉冲电容器和固态脉冲形成线，对其脉冲放电特性、储能密度、寿命等方面进行试验研究。

1　脉冲电容器和固态脉冲形成线的主要性能参数

脉冲电容器的基本结构是平板型结构，在两块电极板间放置的绝缘介质材料是脉冲电容器的储能部分。电容器的储能密度计算公式［8］为

式中：εr为介电材料的相对介电常数；ε0为真空介电常数；E为工作电场强度。

从式（1）可知，提高脉冲电容器储能密度的方法主要有2种方式：①提高介电材料的相对介电常数εr；②提高电容器工作场强。方法②对储能密度的提升效果优于方法①。因此，如何提高陶瓷材料的工作场强成为提升脉冲电容器储能密度的研究重点。

平板型脉冲形成线的基本设计参数主要有输出脉冲宽度、阻抗、储能密度。参数计算公式［9］为

式中：l为固态脉冲形成线几何长度；d为平行板固态脉冲形成线介电材料厚度；W为宽度；μ0为真空磁导率；μr为介电材料的有效磁导率。由式（2）可知，在输出脉冲宽度一定的情况下，选用的介质材料的相对介电常数越高，固态脉冲形成线的长度越短，体积越小。

2　脉冲电容器制作及脉冲放电特性研究

为了提高脉冲电容器寿命，降低电容器边缘畸变电场，采用PbO-SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2（PSNNS）玻璃-陶瓷材料制作了一种侧面凹形的脉冲电容器，如图1所示。PSNNS玻璃-陶瓷材料是中国工程物理研究院流体物理研究所与北京有色金属研究总院合作研制的一种玻璃陶瓷材料，它将具有高绝缘强度的玻璃和具有高介电常数的陶瓷相结合起来，通过熔融-快冷-可控结晶技术制备出无孔隙等结构缺陷的玻璃-陶瓷复合材料。目前，该复合介电材料的相对介电常数达到600，击穿场强达到38 kV/ mm，材料储能密度达到2.27 kJ/L。本文采用PSNNS玻璃-陶瓷材料制作的脉冲电容器介质片尺寸为Φ30 mm×3 mm，电极首先在介质片表面制作满银电极，然后采用Φ35 mm×1 mm的倒角铜圆片作为上下电极，LCR分析仪测试得到制作的电容器容值为1 nF。

图1　采用环氧树脂封装前后的侧面凹形脉冲电容器照片Fig.1 Picture of the pulse capacitor sbefore and after the epoxy resin encapsulation

采用氢闸流管作为开关，研究了该脉冲电容器在重复频率1 kHz、工作电压30 kV、短路放电电流大于2 kA条件下的寿命。实验电路如图2所示，图中S1为磁开关，D1、D2为硅堆，C1为充电电容，容值为100 nF，C为测试电容。实验结果表明，制作的环氧封装后的玻璃-陶瓷材料的脉冲电容器实验条件下的短路放电寿命大于100万次。图3为电容器单次及重频1 kHz下电流放电波形。我们测试得到该脉冲电容器（环氧封装后）在空气中的击穿电压达到60 kV，通过式（1）计算可得，该脉冲电容器的储能密度达到0.85 kJ/L。

图2　脉冲电容器重频1 kHz条件下寿命测试电路Fig.2 Test circuit for pulse capacitors lifetime experiment at 1 kHz

图3　脉冲电容器单次和1 kHz重频放电电流和电压波形Fig.3 Voltage and discharge current waveforms for the pulse capacitor at 1 Hz and 1 kHz

3　固态脉冲形成线脉冲放电特性研究

采用PSNNS玻璃-陶瓷材料制作了平板型固态脉冲形成线，陶瓷板尺寸为290 mm×20 mm×4 mm，上下表面烧渗银电极，电极尺寸为290 mm×20 mm，如图4所示。LCR分析仪测得形成线电容为6.4～6.8 nF，计算得到陶瓷板相对介电常数εr约为500，脉冲形成线阻抗约为2.8 Ω，输出脉宽为44 ns。

图4　环氧封装前后玻璃-陶瓷固态脉冲形成线照片Fig.4 Picture of the glass-ceramics solid-state pulse forming lines before and aftere epoxy resin encapsulation

采用火花隙作为开关，研究了玻璃-陶瓷平板型固态脉冲形成线的脉冲输出特性，实验电路如图5所示，图中T1为固态脉冲形成线，通过直流电源充电，S1为火花隙开关，Rload为负载，阻值为2.8 Ω，为减小回路电感，负载区连接较为紧凑。

图5　固态脉冲形成线放电特性测试电路Fig.5 Test circuit for solid-state pulse forming lines experiment discharge characteristic

图6为单个环氧封装后的玻璃-陶瓷固态脉冲形成线在工作电压8 kV和16 kV时得到的脉冲输出波形。从图中可以看出，脉冲输出波形为良好的矩形脉冲输出，脉冲顶部纹波系数较好。输出脉冲半高宽（FWHM）约为45 ns，前沿约6 ns。之后，对环氧封装后的玻璃-陶瓷固态脉冲形成线在空气中进行了耐压测试，该脉冲形成线耐压达到40 kV。由公式（1）计算可知，该固态脉冲形成线储能密度为0.23 kJ/L。

图6　工作电压8 kV和16 kV时，固态脉冲形成线放电时的负载电压波形Fig.6 Waveforms of load voltage during pulse forming line discharging under working voltage 8 kV and 16 kV

4　结语

基于PSNNS玻璃-陶瓷材料制作了脉冲电容器和固态脉冲形成线，其脉冲电容器在充电电压30 kV、放电电流2 kA、重复频率1 kHz下的短路放电寿命大于100万次，空气中测试得到该脉冲电容器耐压达到60 kV，储能密度达到0.85 kJ/L；制作的满银电极的固态脉冲形成线脉冲输出特性良好，半高宽达到45 ns，矩形脉冲输出平顶度较好，空气中测试得到该脉冲形成线耐压达到40 kV，储能密度约为0.23 kJ/L。后续还需开展提升该固态脉冲形成线的耐压水平、储能密度相关研究工作。

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Research on High Energy Storage Density Pulse Capacitors and High-power Solid-state Pulse Forming Lines

LUAN Chongbiao1，LI Xiqin1，FENG Yuanwei1，ZHANG Qingmeng2，LI Hongtao1，HUANG Yupeng1
（1.Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China；2.General Research Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100088，China）

Based on the glass-ceramics material of PbO-SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2（PSNNS），the high energy storage density pulse capacitors and high power solid-state pulse forming lines have been done.For the pulse capacitors，with the working voltage 30 kV，discharge current 2 kA and repeat frequency 1 kHz，the short circuit discharge lifetime achieve 1 million times，the energy storage density is 0.85 kJ/L.The solid-state pulse forming lines with full silver electrode have excellent rectangle output pulse，and the full wave at half maximum（FWHM）of the output voltage pulse is 45 ns.

glass-ceramics material；pulse capacitors；solid-state pulse forming lines；energy storage density

栾崇彪

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.43

TM281

A

栾崇彪（1987-），男，博士，助理研究员，研究方向：脉冲功率技术及应用，E-mail：luanchongbiao@163.com。

李玺钦（1968-），男，本科，工程师，研究方向：脉冲功率技术及应用，E-mail：lxq107@163.com。

冯元伟（1984-），男，通信作者，博士研究生，助理研究员，研究方向：脉冲功率技术及应用，E-mail：fyw107@163.com。

张庆猛（1972-），男，博士，高级工程师，研究方向：陶瓷材料，E-mail：qmzhangster@126.com。

李洪涛（1968-），男，博士，研究员，研究方向：脉冲功率技术及应用，E-mail：lht680526@21cn.com。

黄宇鹏（1974-），男，通信作者，大专，技师，研究方向：脉冲功率技术及应用，E-mail：yupenghuang2015@163.com。

2015-11-17

国防基础科研资助项目（B1520132002）；国家自然科学基金资助项目（61504127）

Project Supported by National Defense Basic Scientific Research Program of China（B1520132002）；National Natural Science Foundation of China（61504127）