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新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  南京保温材料:公告信息

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  本文采用新型耐高温金属化聚丙烯膜材料作为介质和电极,采用高温绝缘环氧树脂灌封料进行封装,采用加严的制作工艺,设计出耐高温(上限类别温度为125℃)的金属化聚丙烯膜介质交流脉冲电容器,扩展了聚丙烯膜电容器的应用范围。

本文引用地址:

  1.绪言

  随着电子科学技术的发展和进步,21世纪的能源问题越来越引人瞩目,全球各个行业都在大张旗鼓的节能,照明行业就是其中的一部分,据不完全统计,照明用电量很大,因而节能潜力巨大,这给照明行业的元器件供应商提供了商机和挑战。电容器行业就是其中的一个受益者,特别是在白炽灯、电感式镇流器被禁用,随着紧凑型节能灯、电子式镇流器及第四代照明光源或绿色光源LED快速发展的情况下,研发长寿命、高功率电子产品是照明行业的新的发展趋势。

  本文主要是从产品设计思路上浅谈如何设计出额定温度为105℃,工作温度范围为-55℃~+125℃的耐高dv/dt脉冲爬升速率的耐高温聚丙烯膜交流脉冲电容器。

  2.市场调查

  该类产品主要应用于照明市场的电子镇流器和LED中,市场需求量比较大,风险性小,客户群主要有飞利浦等全球五大照明厂商,典型的应用电路如下:

  2.1 电子镇流器

  主要分欧洲电路(如图1所示)和美国电路(如图2所示)两种。

  a.欧洲电路:用在C6、C7、C9位置,C6、C7起缓冲作用,C9位置起谐振作用;

  

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  b.美国电路:用在C6、C7、C8位置,C6起脉冲推动、C7起谐振作用,C8位置起限流作用;

  

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  2.2 LED节能灯电路(如图3所示)用在C6、C8、C9位置,C6、C9起吸收作用,C8起谐振作用。

  

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  3.技术要求

  气候类别:55/125/56

  额定温度:105℃

  类别电压:UC=0.75UR

  寿命(高温耐久性)实验:1.25UR,105℃,2000h;

  要求(GB/T14579-93(IEC 60384-17-1987):

  △C/C≤5%,△tgδ10kHz≤0.0015.

  dV/dt试验:

  充电电压(Vd.c.):UR;放电电阻(Ω):

  Rd=短路,充放电次数:100000次4.产品设计及工艺控制



  4.1 介质材料的选定

  聚丙烯材料以其介质损耗低,稳定性好,体积电阻率高,吸水率低,热收缩率小等特点,比较适合用在交流与脉冲应用场合。目前聚丙烯膜根据不同的使用要求,分为普通聚聚丙烯膜,高温聚丙烯膜,现把它们的性能对比见表1、表2.

  

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  根据表1、表2的对比,我们采用耐温性能、击穿场强高、热收缩率好的高温聚丙烯膜具作为该类电容器的电介质。

  4.2 金属化膜极板及产品结构的选择

  4.2.1 金属化膜镀层材料及方阻的选择

  电极在电容器中起着聚集电荷的作用,它的形式随着电容器结构和应用场合的不同而不同,本文研究的产品主要是应用在照明行业中的高温、高频交流场合,要求电容器需承受连续(正弦波)交流有效值电压Vrms或交流有效值电流Irms的能力要高。

  因此,采用较低的方块电阻(一般为3.0Ω/□±30%)的铝金属作为电极材料,确保有良好的接触端面及良好的电流脉冲强度及较低的ESR,保证产品的耐大电流能力。

  

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  4.2.2 产品结构的选择

  由于该产品在使用过程中会长期工作在高频交流电压下,所以必须考虑产品的电晕问题。电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场,在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时,空气游离发生放电形成电晕。

  因此,在考虑单串结构产品的起始电晕电压Ub≤300Va.c.的条件下,对不同的额定电压应考虑不同的串式结构设计(如图4所示),以提高产品的起始电晕电压。

  4.3 灌封绝缘材料的选择

  因该产品长期工作在高温、高频交流脉冲电压下,需要研制开发出一种耐高温特性、致密性、传热性能好的灌封料,经过多轮的对主剂A的成分以及各成分之间的配比、主剂B的成分以及各成分之间的配比、主剂A与固化剂B配比的实验摸索验证,研制出了一种新型的耐高温性能好,可自动灌封的高温固化黑色环氧树脂灌封料,把灌封该灌封料和普通灌封料的产品去做高温耐久性实验(如表3所示),该灌封料灌封的产品容量损失比常温料的损失小,并且性能远远满足GB/T 14579-93标准规定的等级1的要求。

  

新型耐高温金属化聚丙烯膜材料的设计方案

  4.4 工艺控制

  4.4.1 卷绕工艺的控制

  因该产品在客户端上电路板时会先经过1分钟~2分钟的高温预烘,然后进行260℃,10s的波峰焊接,这里不同的客户有不同的要求,如:某知名照明客户的焊接曲线(如图5所示)。

  所以对产品的高频损耗要求极高,并且产品经过高温耐焊接热后高频损耗不会变坏恶化。

  影响产品高频损耗变坏的主要原因是金属电极蒸镀层与喷金层(电极引出层)之间的接触损耗。因此,如何控制好卷绕后芯子端面的质量问题非常关键,笔者针对端面质量问题,做了普通工艺和加严工艺两种实验方案作业产品的对比实验(见表4),根据实验数据可以看出,端面质量加严工艺生产的产品实验后容量损失、△tgδ100kHz的变化均比普通工艺条件的好。

  所以,为了满足客户苛刻的要求,卷绕必须按照加严工艺对芯子端面的质量进行控制。

  4.4.2 喷金工艺的控制