分布式光伏发电系统用直流支撑电容器THB性能改进研究

季武强，梁山武，乔向华，宋治根

（佛山市顺德区创格电子实业有限公司，广东顺德 528300）

0 引言

分布式光伏逆变器系统直流支撑场合用金属化薄膜电容器目前业内采取的设计结构普遍为采取工程塑料制作的塑料长方体壳体，内部封装电容器心子，引脚结构采用2-4 根电极引出线进行引出[1-5]。为达到小体积大容量的目的，该结构内部心子一般采取镀层较薄的金属化Zn/Al 复合结构，方阻值通常在15 Ω/□及以上。较高的方阻值大大增加了该类型电容器在湿热条件下安全稳定运行的难度[6-12]。

高温高湿试验（即THB）在金属化薄膜电容器行业标准中，目前基本上特指THB 双85 试验，即温度85℃，相对湿度85%RH，试验电压一般为直流额定电压或者交流额定电压的1.35 倍。目前，在IEC 60384-14：2013+AMD1：2016 CSV，Annex I，针对抑制电源电磁干扰用固定电容器，提出了明确的产品测试要求及判定标准[1]。

但是，针对分布式光伏逆变器系统直流支撑场合应用的金属化薄膜电容器，THB 实验方法以及判定标准，没有统一的标准规定[13-20]。一般行业内比较认可的试验条件均是采取85 ℃/85% RH，额定直流电压条件下，试验时间1 000 h，电容器在试验前后，容量变化不超过5%（部分场合为10%）[21-28]。关于损耗角正切值的变化没有明确规定，本文暂定参考IEC 60384-14：2013+AMD1：2016 的判定标准（以下简称THB 双85 试验）。

文献[1]指出，使用超级偏压所蒸镀的金属化薄膜质量更稳定，电性能更优越。同时指出，通过调整金属化层边缘位置结构、蒸发抗氧化油保护层及薄膜表面特殊处理这3 种蒸镀工艺处理方法，可改善电容器在高温高湿条件下金属层腐蚀现象。文献[3]指出，热聚合温度工艺的有效实施，对消除电容器层间的空气起到了关键作用，可以达到减缓电容量衰减速度的目的。同时指出，封装方式的改善，可有效阻止外界环境水分的侵入，减少空气电离，对抑制电容器容量的衰减有较好的作用。文献[4]指出，金属化安全膜防爆电容器的主要优点是自愈可靠，微型保险丝反应非常灵敏，当内部发生自愈性击穿时，微型保险丝断开，避免击穿区域进一步扩大。文献[5]提出了金属化安全膜电极结构的设计理论计算方法及试验验证。文献[6]指出，圆柱形电力电子电容器在严酷的环境中安全可靠运行，通过调整灌封材料的配方和电容器结构优化设计等，成功地将电容器3 000 h 湿热耐久性试验容量衰减控制在-3%以内。

总得来说，目前针对THB 双85 试验，主要有几种手段：1）金属化薄膜蒸镀工艺调整，添加抗氧化油等；2）电容器制造工艺影响；同时，针对电容器安全性能，提出采取金属化安全防爆膜结构[4-8]。

本文根据公司现有工艺及技术，拟从外壳材料的改进及封装方式改善角度对应用于分布式光伏发电逆变器用直流支撑电容器的THB 双85 性能进行提升研究。

1 金属化薄膜电容器高温高湿条件下失效机理分析

金属化薄膜电容器失效现象可分为以下几种类型。

1）是击穿现象，根据实际情况又可分为电击穿及热击穿。电击穿指的是电容器在较高电压的情况下，一般超过额定电压的1.5 倍以上，电容器薄膜分子链产生不可逆的破坏作用，从而直接导致击穿的现象。热击穿指的是电容器在较高的环境温度或自身发热产生的较高温度条件下工作，其薄膜分子耐电性下降，在较低的电压条件下产生的击穿现象。

2）是电容器容量产生较大衰减，比如超过10%，此时，根据不同的应用条件，可能产生不同的后果。比如应用于LC 谐振场合，电容量的下降会导致谐振频率f的上升，从而对其他电子器件产生不利影响，引起设备工作异常。

3）是损耗角正切值tanδ变大，电容器发热功率公式为

式中：P表示发热功率；I表示流经电容器的电流值；R表示电容器等效内阻。同时，根据电容器等效内阻与损耗角正切值的换算关系式为

由式（2）可知，当tanδ变大时，将导致电容器内阻升高，进而发热量的提高，当此发热量达到一定程度后，将导致电容器的热击穿。

4）金属化薄膜电容器在潮湿条件下的失效机理主要是由于水分子的影响，导致电容器容量下降以及tanδ变大。

金属化薄膜电容器金属镀层材料一般采用Zn、Al 或者Zn/Al 复合材料，其反应方程式为

式（6）的反应在常温下是一般不发生，但是，在电容器试验或者使用的过程中，由于自身发热以及通电条件下，将缓慢发生此类反应。

因此，此类金属单质在水的作用下，易发生腐蚀，生成不导电的金属氧化物（ZnO 及Al2O3），尤其是在高温及通电情况下，更能加速此类腐蚀。从而导致金属化薄膜上的金属镀层失去导电性，造成电容器两电极板面积的缩小，导致电容量下降。同时，由于金属镀层形成非导电金属氧化物，导致电容器tanδ变大。因此，水分子是电容器失效的致命因素。如何有效隔绝水份成为电容器THB 双85 性能提升的关键。

2 改进措施

2.1 金属化薄膜处理工艺影响

金属化薄膜采用真空蒸镀工艺技术，此过程要求真空室的真空度极高，避免由于空气中的各种气体分子对金属蒸汽产生碰撞、氧化等不良反应。同时由于金属蒸汽颗粒度小，即便形成成片的金属镀层后，也极容易受到空气中的水分子、氧分子等的影响产生化学反应，从而破坏电极结构。因此，在真空蒸镀的工艺中，普遍会增加抗氧化处理，即在金属化薄膜表面蒸发抗氧化保护油层，用以隔绝金属镀层与空气的直接接触。同时采取超级偏压工艺[2]，对金属化薄膜进行特殊表面处理，使得后期电容器制造时，膜层间贴合更紧密，有利于制造过程中的残余空气排除，改善交流局部放电及电腐蚀的发生。

金属化安全膜结构见图1，由于存在很多的空白隔离带区域，并且金属镀层的厚度一般为十几到几十纳米，隔离带区域与金属镀层区存在一定的高低差，此高低差为空气残留提供了天然的低洼地带，因此，相比于普通镀层结构的金属化薄膜，金属化安全膜更容易在隔离带边缘产生镀层腐蚀，从而影响电容器的可靠性。

图1 安全膜结构示意图Fig.1 Structural schematic diagram of safety film

图2 电容器心子（箭头方向为水分子等渗入方向）Fig.2 Core of capacitor（the direction of the arrow is the penetration direction of water molecules etc）

图3 烘箱温度检测数据Fig.3 Temperature detection data of oven

2.2 电容器制造工艺的影响

电容器制造过程中，对产品THB 性能产生较大影响的工艺主要有以下几个工序或因素

2.2.1 卷绕

电容器心子采用相同的卷绕条件即卷绕层数1 200 层，卷绕张力相同，应变系统测量方式不变，层间压强变化趋势是元件外层压强值小，越往里层，逐渐增大，当靠近心轴处时，压强达最大值[9-16]。

因此，应当设定合理的工艺条件，尽可能地减少空气分子在电容器心子层间的残留。

2.2.2 热聚合

热聚合工艺是通过将卷制好的电容器心子放入恒温烘箱中进行热处理，该工艺利用聚丙烯薄膜在一定温度条件下发生的纵向、横向热收缩，将卷绕过程中残留在膜层间的空气挤出，同时也将生产过程中金属化薄膜、电容器心子暴露于空气中依附其上的湿气蒸发掉，提高电容器心子的紧致度[17-18]。热聚合必须严格控制温度以及时间，同时根据烘箱升温曲线，考虑到生产制造流转时间以及实际制造成本，热聚合工艺时间选定2～4 h 是合理的。

2.2.3 流转时间及环境湿度

电容器心子在空气环境中暴露的时间越短，其性能越可靠稳定。在相同相对湿度条件下，元件存放时间越长，寿命越短[19]。主要原因是由于空气中的水分子、氧分子在电容器心子未进行有效保护的情况下，会对镀层产生一定程度的影响。此影响一般情况下不会导致致命缺陷，但当环境湿度特别高，尤其是超过90%RH 的情况下，会产生比较严重的不良影响。因此，现代电容器生产企业对环境湿度管控都有严格的标准。

2.3 外壳材料的影响

金属化薄膜电容器产品根据实际需求及应用场合的不同，外壳材料有较大区别，一类使用的是金属壳密封，比如不锈钢、不锈铁、铝等；另一类采用工程塑料，如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、尼龙（PA）等。工程塑料由于其优良的电绝缘性、耐疲劳性、耐候性、耐一般酸碱腐蚀性等因素，广泛应用于电容器封装壳体的制造。根据电容器失效机理，外壳材料吸水性对THB 双85 性能影响较大。常用工程塑料性能对比见表1[22-24]。

表1 常见工程塑料性能对比Table 1 Performance comparison of common engineering plastics

工程应用上，一般都会添加各种改性剂对工程塑料进行改性，以提高其刚性、硬度、阻燃性等各种性能。

根据塑料材料的性能，尤其是吸水性和最高持续工作温度条件，以及工程塑料在行业内应用情况，本文选用PBT 以及某材质作为对比材料进行试验。

2.4 封装处理的影响

电容器封装有多种类型，主要分为固态封装以及液态封装。其中固态封装使用的封装材料主要有环氧树脂、聚氨酯等；液态封装使用的材料主要有环氧大豆油、电容器油、蓖麻油等。本文所涉及的电容器采取固态环氧树脂封装材料进行。

固态环氧树脂目前业内比较多的是采用双酚A环氧树脂配以一定的固化剂，固化剂种类有多元胺、改性多元胺、酸酐等。

双酚A 环氧树脂的化学结构式如下：

由于双酚A 环氧树脂中含有亲水基团羟基-OH，各种固化剂以及添加剂中也含有一定的亲水基团，同时，环氧树脂固化过程中的环氧基也可能由于固化剂比例或混合均匀性问题，造成存在一定的游离O 等基团，这些基团使得环氧树脂固化产物具备一定的吸水性。

当水或潮气与环氧固化物接触时，随着时间延长，在环氧固化物表面、界面以及内部都会产生一系列物理、化学以及力学等作用，水在固化物的界面和内部产生湿润、吸附、扩散、渗入、吸收等现象，并导致固化物出现溶胀、增塑、变形、溶解、水解、析出、断链、开裂、脱粘、力学及电学等性能劣化[20]。进一步水气即可渗入电容器内部，对金属镀层及聚丙烯薄膜产生破坏作用。

为了得到性能优良的环氧树脂封装材料，同时降低成本以及提升阻燃性、刚性等，通常会在环氧树脂中添加各种添加剂。添加剂的种类及作用如表2[21-26]。

表2 环氧树脂添加剂种类及作用Table 2 Types and functions of epoxy resin additives

本文设计3 种配方对环氧树脂进行改性如下：

1 号配比固化的环氧树脂为普通酸酐类环氧树脂；

2 号配比固化的环氧树脂为添加某种类偶联剂的环氧树脂；

3 号配比固化的环氧树脂是添加某种类偶联剂、某进口添加剂，同时对填料（活性硅微粉及氢氧化铝）进行疏水处理的环氧树脂。

3 试验方案设计及结果分析

3.1 试验方案设计

根据各影响因素对金属化薄膜电容器THB 双85 性能影响，设计以下对比方案。

电容器选用设计容量50 μF，设计额定电压600 V DC 的产品，产品形状为长方体塑料盒装，产品尺寸为长×宽×高=42.5 cm×35 cm×50 cm，设计采用渐变高方阻Zn/Al 薄膜[18]，方阻值25±5Ω/□，卷绕参数及热聚合工艺均统一，并且统一使用同一台卷绕机，同一套热聚合设备，酸酐类固化的环氧树脂统一固化条件为95 ℃保温1 h，后再升温至110 ℃保温3 h。其他各检测工艺均按照生产制造的统一工艺执行，其中H 组为严格把控工艺流转时间及湿度管控的产品，各组区别及分组见表3。

表3 试验设计分组情况Table 3 Grouping of test design

3.2 试验结果及分析

试验条件是将产品放置于高温高湿试验箱，设定温度85 ℃，相对湿度85% RH，通以直流额定电压，1 000 h，试验前后用LCR 数字电桥，在100 Hz 频率条件下测试产品的电容量以及损耗角正切值tanδ，判定标准依据|△C/C|≤5%，tanδ增量＜0.015，Z 组产品数据见表4。从表4 数据来看，在相同的试验条件下，目前部分国内已经有厂家的产品能满足THB 双85 试验要求，但国外同类型普通电容器A产品容量损失率大，达到-66.543%，国外B 厂家产品容量损失率符合标准要求，但tanδ增量有一只超出标准要求值，达到0.017 10，因此判定为不合格。

表4 Z组产品Table 4 Group Z products

普通金属化膜结构各组测试结果见表5。通过表5 数据组A-B-C，由于采取相同的外壳材质，相同的工艺条件，数据结果逐渐趋向改进。A-B 组，虽然ΔC/C的数据并没明显改善，除个体差异数据外，大体均处于-6%～-7% 左右，但Δtanδ数据有明显下降。A 组的Δtanδ变化明显偏大，此数据反映出A 组产品已经明显受到较多湿气的影响，造成了tanδ明显异常增大。C 组中，ΔC/C略有改善，处于-3.97%～-6.32%之间，并且Δtanδ进一步得到降低。

表5 普通金属化膜结构各组测试结果Table 5 Test results of each group of common metallized film structure

从A-D 数据对比可知，采用某材质外壳，可以明显改善Δtanδ的数据变化，这说明某材质外壳可以有效隔绝一定的水分子渗入电容器内部。

从D-E-F 的数据对比可知，采用某材质外壳，并且随着环氧树脂的逐步改进，电容器在THB 双85 测试条件下的ΔC/C以及Δtanδ均得到进一步的改善。

基于以上数据结果，得到两个结论：1）外壳材质改善，可以提高金属化薄膜电容器THB 双85 试验性能；2）环氧配方的改进可以进一步提高金属化薄膜电容器THB 双85 性能。

本文进一步针对安全膜结构的金属化薄膜电容器进行THB 双85 性能研究，测试结果见表6。

表6 安全膜结构各组测试结果Table 6 Test results of each group of safety film structure

数据A-G 结果显示，安全膜结构的电容器在受到水汽渗入后，ΔC/C的损失情况更为严重，这主要是基于安全膜结构中存在较多的“隔离带”，水汽更容易通过隔离带的间隙不断渗入电容器内部，造成较为严重的镀层腐蚀现象。

从数据E 与H 来看，外壳同为某材质时，普通结构薄膜产品能满足THB 双85 性能的情况下，相同工艺条件下，改为安全膜结构，就难以保证产品的合格率以及一致性。I 组中有2 号样品超过|ΔC/C|≤5%的标准要求。

从各组数据来看，依据判定标准依据|ΔC/C|≤5%，tanδ增量＜0.015，能满足THB 双85 测试要求的数据组有E、F、I 3 组，其中I 组数据最优。I 组数据最优原因，实际上是源于对I 组产品进行了针对性的跟进制作，严格把控制造环境的湿度管控，严控流转周期。

从表5 以及表6 的F、I 组数据来看，目前生产制造的同类产品，THB 双85 性能已经超过现有同类产品的性能。

3.3 解剖

解剖安全膜结构试验后的产品，观察内部薄膜氧化情况见图4。

图4 G组安全膜结构外层Fig.4 Group E outer layer of safety membrane structure

安全膜结构产品，水气通过隔离带渗入内部，对电容器电极产生较大破坏，造成容量下降及损耗角正切值增大。并且镀层腐蚀从心子外层至内层呈现逐步趋向严重的现象。普通膜结构的腐蚀，同样是从心子外层向内趋向严重，见图5。

图5 左为未测试的普通膜，右为A组1号外层薄膜Fig.5 On the left is the normal film not tested，and on the right is the outer film of group A1

外层腐蚀较内层严重的原因应当是卷绕工艺以及热聚合工艺的因素造成，由于电容器在卷制过程中，内层压力较大，外层较松。同时，热聚合工艺过程中，也会导致内紧外松的现象。因此，水份更易对外层薄膜产生腐蚀。

4 结语

本文主要结论如下：

1）调整外壳材质可以改善THB 双85 性能；

2）封装环氧树脂的配方不同，对THB 双85 性能影响较大，好的环氧树脂配方能明显改善此性能，提升产品可靠性；

3）过程流转周期以及湿度管控，对产品THB 双85 性能有所帮助；

本文的研究工作仅做了部分方案对比测试，随着行业的发展以及应用条件的区别，对THB 双85性能可能产生影响的因素应当还有额定电压、薄膜的设计方阻值、安全膜结构具体形状等因素，留待进一步研究。