高压大容量长寿命脉冲电容器的研制

何红庄

摘 要：本文设计了一种应用于脉冲功率电源的高压、大容量、长寿命金属化膜电容器。从理论计算出发，对照经验数据库，综合考虑电容器的额定电压、峰值电流、工作频率等指标，得出膜材取值范围和电容器可选元件子集;应用计算机3D拟合等仿真技术，反复迭代出匹配基材的最优元件大小及元件空间布局方案，确定了电路拓扑、芯子结构及绝缘方案。同时，搭建全工况试验平台，测试了电容器的电压、工作电流、寿命等性能指标。测试结果表明：电容器容值217 μF，在额定电压为35 kV、工作电流为35 kA、反峰大于10%工况下，寿命大于40 000次。

关键词：高压;大容量;仿真迭代;长寿命;脉冲电容器

中图分类号：TM531.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0041-05

Abstract： A high-voltage， large-capacity， and long-life metalized film capacitor used in pulsed power supplies was designed. Starting from theoretical calculations， comparing with the empirical database， comprehensively considering the capacitor's rated voltage， peak current， working frequency and other indicators， the film material value range and the subset of capacitor optional components were obtained; computer 3D fitting and other simulation techniques were used to iterate repeatedly. The optimal component size and component space layout plan of the matching substrate was developed， and the circuit topology， core structure and insulation plan were determined. A test platform for all working conditions was built to test the capacitor's performance indicators such as voltage， working current， and life. The test results show that the capacitor has a capacitance value of 217 μF， a rated voltage of 35 kV， an operating current of 35 kA， an inverse peak greater than 10% ， and the service life is greater than 40，000 times.

Keywords： high voltage;high-capacity;simulation iteration;long life;pulse capacitor

脈冲功率电源系统一般具有电压高、电流大等特点，并且往往对瞬时功率、储能密度以及储能规模的要求较高[1]。高压、大容量、长寿命的脉冲电容器是脉冲功率电源的核心部件，电容器的综合性能直接影响甚至体现了脉冲功率装置的性能。在科研及工业应用领域，开发新材料和新工艺，应用计算机3D拟合等辅助设计进行仿真迭代[2]，研发低电感和低内阻、能耐受大电流且具有长寿命的脉冲电容器，是脉冲源技术发展的一个重要方向。当前，国内外较成功的脉冲源系统主要是以双向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene，BOPP）薄膜的金属化膜脉冲电容器作为储能元件[3]。我国“神光”等系列国家大科学工程，对该类电容器有大规模需求，后续项目需要的电容器性能也不断提升。本文设计了一种高电压（35 kV）、大电流（35 kA以上）、单台大容量（217 μF）、长寿命（大于4万次）的脉冲电容器，并介绍了研制和试验验证过程。

1 大容量脉冲电容器设计

脉冲电容器的结构为平板型结构，在两块电极板之间夹着的绝缘介质层是电容器的储能单元。当两电极之间施加电压[U]，极板上将储存电荷[Q]。这时电极间的电容量[C]为：

式中：[ε]为绝缘介质的介电常数;[S]为极板面积;[d]为绝缘介质的厚度。在研制大容量脉冲电容器时，绝缘介质厚度[d]要取小值才能设计出紧凑型电容器，所以通常优选膜厚为微米级别的金属化膜作为主基膜。金属化膜即以双向拉伸聚丙烯膜（BOPP）为基膜，并采用蒸镀在基膜一面的金属化层（纳米级）为电极，专为大容量电容器而研制的。金属化膜脉冲电容器还有一个显著特点，即当电容器承受瞬间高压或工作于高场强时，薄膜中的电弱点首先被击穿，击穿点处薄膜介质储存的能量瞬间释放，使得该击穿点及其周围的金属化镀层瞬时蒸发，形成绝缘恢复，即金属化膜“自愈”[4-5]。自愈成功后电容器能继续稳定工作，所以金属化膜脉冲电容器的性能具有高可靠性。

1.1 膜材场强选型及元件集设计

当前工艺成熟度高的金属化膜膜厚[D]的取值范围为2.5～8 μm，由式（2）[6]可得出设计电场[E]、所取膜厚[D]及元件的设计电压[Ud]的关系，进而得到元件的可设可选的电压集合[Ui]。

对于额定电压为35 kV、容量值为217 μF的脉冲电容器，可根据储能公式[见式（3）][7]计算得到单台电容器额定储能为133 kJ。

金属化膜优异的自愈性能是电容器可靠工作的必要保证，自愈能量的大小直接关系到是否能成功自愈。国内外学者对自愈的因素及性能做了大量研究，得出了自愈能量的经验公式[8]：

式中：[Ub]为介质膜击穿电压;[C0]为电容量;[Rsq]为金属化膜方阻;[αp]为层间压强的函数，[α1]、[α2]为常数。公式（4）说明，大容量电容器的芯子元件规格关系到金属化膜是否能成功自愈，其设计是电容器设计的关键之一。该结论在刘泳斌等的最新研究成果中[9]得到了验证。根据公式（4）以及经验数据库，得到元件可设可选的电容值集合[Ci]。

1.2 结构及绝缘设计

本次电容器外壳选用304不锈钢，单端子引出（高压端），低压端与外壳相连，极间绝缘即为极壳绝缘。根据脉冲电容器标准[10]和数据库经验值，其绝缘电压为：

式中：[U]为设计的绝缘电压;[U0]为额定电压;[K]为设计裕度（[K]>1）。

绝缘材料均选用双向拉伸聚丙烯薄膜，保证极间（极壳）绝缘。元件及芯子的串并联采用镀锡铜片连接。芯包整体有防爆结构设计及防爆材料保证。

1.3 元件及芯包的仿真迭代设计

在元件可选电压集[Ui]、可选容值集[Ci]设计基础上，从电气性能、机械物理性能（体积重量引线结构等）以及期望寿命三大指标出发，对电压、电流、内阻、内感，膜材料、元件、芯子、芯包等多指标进行仿真迭代优化（元件参数可选子集中，空间排布均匀，元件总体积少者优先），流程如图1所示。

经计算机计算迭代，得出符合电气指标空间布局优化的元件及芯包的设计方案，再参考经验数据库的数值进行修正，图2即确定的设计方案。

2 试验测评与分析

由上述设计方案，研制了额定电压为35 kV、单台电容量为217 μF的脉冲电容器，并对该型脉冲电容器的主要指标进行试验测试。

2.1 极间耐压试验及电容（[Cx]）、损耗角正切值（[tanδ]）、内阻的测量

第一，初测电容。在耐压试验之前，用HF2615型电容测量仪测量电容量[Cx]及损耗角的正切值[tanδ]，测试频率为100 Hz，试验环境温度为12 ℃。第二，将产品直流充电到42 kV，保持10 s，监测电容器有无击穿闪络现象。第三，复测电容。在耐压试验之后，用HF2615型電容测量仪测量电容及[tanδ]（耐压后和耐压前的电容差值为[ΔCx]），测试频率100 Hz，试验环境温度为12 ℃，测试结果如表1。

2.2 5次充放电试验

试验方案为：第一，试品直流充电到额定电压35 kV，然后通过0.062 Ω的电阻、50 μH的电感进行放电，这样的过程进行5次;第二，试验前后用HF2615型电容测量仪测量电容，观测其电容量的变化情况，试品环境温度22 ℃。放电波形见图3，测试数据见表2。

2.3 耐久性（长寿命）试验

试验方案为：第一，试品直流充电到额定电压35 kV，然后通过电阻0.062 Ω、电感50 μH的放电回路进行充放电，峰值电流35 kA，反峰电流>10%，放电频率90 s/次。测试频率为100 Hz，试验前的电容量为219.26 μF。放电共进行40 000次，原理图见图4，试验平台实物图见图5。第二，试验前后及试验期间分别用HF2615型电容测量仪测量电容及[tanδ]，观测其变化情况。测试结果见表3和表4，放电示波见图6至图9，寿命曲线图见图10。

试品寿命曲线记录如图10所示。

2.4 承受故障能力试验

试验方案为：将进行完40 000次寿命试验的产品，通过[R]=0.045 Ω、[L]=33.2 μH的放电回路进行5次大电流放电，放大峰值电流为80.78 kA、反峰电流为66.76 kA，反峰率为82.64%。试验前后测量产品的电容量和损耗角正切值测试数据见表5。从表5可知，试验前后电容量和损耗角均无明显差异，结论合格。

3 结论

成功研制额定电压为35 kV、单台电容值为217 μF的大容量高压脉冲电容器，工作电流在35 kA情况下，使用寿命能超过4万次，并能承受多次80 kA的故障电流，能满足国家科技大项目对该类电容器的性能需求，入选大规模装备科学装置电容器备选目录。

此外，本次研究过程的迭代模型及相关实测数据录入经验数据库，为后续研发新产品或深入研究电容器内电、磁、力、热等物理场奠定了基础。

参考文献：

[1]马伟明，鲁军勇.电磁发射技术[J].国防科技大学学报，2016（6）：1-5.

[2]CHANG X，YU X，LIU X，et al. A Closed-Loop Velocity Control System for Electromagnetic Railguns[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2018（5）：1-6.

[3]李军，严萍，袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术，2014（4）：1052-1064.

[4]SARJEANT W J，ZIRNHELD J，MACDOUGALL F W. Capacitors[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，1998（5）：1368-1392.

[5]林福昌，徐智安，代新，等.高储能密度脉冲电容器的研究[J].高电压技术，2002（7）：34-37.

[6]钟力生，李盛涛，徐传骧，等.工程电介质物理与介电现象[M].西安：西安交通大学出版社，2017：5-8.

[7]BLUHM H.脉冲功率系统的原理与应用[M].江伟华，张弛，译.北京：清华大学出版社，2008：46-50.

[8]陈耀红.高储能密度金属化膜电容器应用性能及其影响因素研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[9]刘泳斌，张阳，高景晖，等.聚偏氟乙烯基金属化膜电容器自愈特性的研究[J].电力电容器与无功补偿，2020（4）：37-41

[10]国家机械工业局.脉冲电容器及直流电容器：JB/T 8168—1999[S].北京：机械科学研究院，1999.