薄膜電容器損耗的頻率特性

薄膜電容器損耗的頻率特性摘要：高頻損耗是薄膜電容器的一個重要的指標， 它直接影響整機的可靠性。文章介紹了電容器損耗的概念、損耗的組成、外界因素對損耗的影響；本文運用試驗數(shù)據(jù)說明薄膜電容器的高頻損耗隨測試頻率的增加而增加， 兩者之間不是線性關(guān)系；通過對薄膜電容器生產(chǎn)過程的分析，指出了高頻損耗產(chǎn)生的原因以及應(yīng)采取的措施，并運用 0.618法和正交試驗法確定了重要工序的主要參數(shù)。關(guān)鍵詞：電容器；電容器的損耗；介質(zhì)損耗；金屬損耗；主要技術(shù)指標1引言薄膜電容器逐批檢驗的主要技術(shù)指標有：電容量、 損耗（損耗角正切值）、絕緣電阻、耐電壓、可焊性、外觀等，在這些指標中電容器的損耗是一個重要的指標，它直接影響薄膜電容器的產(chǎn)品質(zhì)量、合格率，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。薄膜電容器的損耗不是一個固定的數(shù)值，它隨測試頻率不同而不同，本文就薄膜電容器的損耗與測試頻率的關(guān)系做一探討。2電容容器損耗的概念任何實際的電容器，在電場作用下都是要消耗能量的。電容器把貯存或傳遞的一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，其中一部分使電容器發(fā)熱， 溫度升高；另一部分消耗在周圍環(huán)境中。 通常我們把電容器在電場作用下，單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量叫電容器的 損耗。電容器的損耗是衡量電容器品質(zhì)優(yōu)劣的一個重要指標，損耗越大電容器發(fā)熱越嚴重，則表明電容器傳遞能量的效率越差。在極限情況下，有導(dǎo)致電容器破壞的危險，使用頻率越高， 這種危險性就越大。3損耗的組成電容容器的損耗主要由電容器的介質(zhì)損耗、漏導(dǎo)損耗和金屬部分損耗三部分組成。電容器不

是在高溫和極低頻率情況下工作時， 可忽略漏導(dǎo)損耗的影響。這就是說，一般情況下電容器的損耗主要由介質(zhì)損耗和金屬部分損耗組成。電容容器介質(zhì)部分的能量損耗主要由電導(dǎo)損耗、極化損耗和電離損耗組成。電容器金屬部分的能量損耗主要由電容器引出線的損耗、電容器極板有效電阻引起的損耗、接觸電阻引起的損耗組成。4電容器損耗與外界因素的關(guān)系損耗主要由介質(zhì)損耗和金屬部分損耗組成。電容器的損4.1電容器的損耗與頻率的關(guān)系在忽略表面漏導(dǎo)的情況下，電容器的耗tgS隨頻率f的變化曲線如圖1。損耗主要由介質(zhì)損耗和金屬部分損耗組成。電容器的損圖1電容器的損耗tg瀧頻率f的變化曲線在頻率不太高的范圍內(nèi)（fvfi）,電容器損耗tg岀勺頻率特性與介質(zhì)損耗tgsd頻率特性相似，即在這個頻率范圍內(nèi)，電容器的 損耗tgS主要決定于介質(zhì)部分的損耗（在f3以下主要是電導(dǎo)|損耗，在f3與fi之間是極化損耗）Otgs與tgSd出現(xiàn)最大值的f2大致相同。一般情況下，f3位于音頻范圍，f2位于高頻范圍，但是當電容器的工作溫度升高后， f3、f2向高頻方向移動。在頻率比較高的范圍內(nèi)（f>fi），電容器損耗tgS的頻率特性與金屬損耗tgSm的頻率特性相似，這是因為當頻率相當高時，金屬部分的 損耗成為電容器的主要|損耗。這時的tgSm=oCrm,3較低時，rm是個常數(shù)，tgSm隨頻率線性增加；但當 3相當高時，由于集膚效應(yīng)的影響， rm不是個常數(shù)（隨頻率增加而增加） ，這就導(dǎo)致tgSm隨頻率上升而更急劇地上升。對于一個實際的電容器在 fi以下主要介質(zhì)和輔助介質(zhì)的 tgSd隨頻率變化規(guī)律不可能完全一致，一般情況下，tgSd的頻率特性主要由主要介質(zhì)決定。但當主要介質(zhì)很好，輔助介質(zhì)很差時，則輔助介質(zhì)對損耗的頻率特性有顯著影響。 若主要介質(zhì)和輔助介質(zhì)對 損耗的影響程度差不多， 并且都具有緩慢極化時， 則由于極化的機理不同， 會在tgS的頻率特性曲線上岀現(xiàn)兩個峰值。 總之，實際電容器的損耗特性要比上述曲線復(fù)雜，要具體問題具體分析。4.2電容器損耗的溫度特性如果電容器介質(zhì)具有緩慢極化，則電容器的 損耗的溫度特性如下圖2o其中tgS是介質(zhì)損耗，顯然，這是由電導(dǎo)損耗和極化損耗兩部分組成，當溫度較低時，極化損耗是主要成分，損耗tgS的溫度特性曲線上有峰值岀現(xiàn)；當頻率升高時， 損耗tgS的峰值向高溫方向移動，所以，高頻下 損耗tgS的峰值會岀現(xiàn)在正溫度范圍內(nèi)。當溫度比較高時（t>ti），介質(zhì)損耗急劇增大，這是因為在高溫區(qū)電導(dǎo) 損耗已經(jīng)成為主要損耗了。4.3其它因素對電容器損耗tg舶影響電容器的tgS除與溫度、頻率有關(guān)外，還受其它許多因素的影響，如電壓、濕度等。在一般結(jié)構(gòu)的電容器中，如不考慮電壓增大引起的電容器發(fā)熱，從而使 損耗有所增大時，I損耗tgS與電壓的關(guān)系很小，但當電容器具有夾層式極化 損耗、自發(fā)極化損耗以及電離損耗時，其tgS將隨電壓發(fā)生顯著的變化。電容器介質(zhì)本身或介質(zhì)與介質(zhì)及介質(zhì)與極板之間存在空隙時，當電壓足夠高時，氣隙的電離，將引起損耗tgS迅速增大。在電離損耗中，除了由于氣隙電離引起的損耗外，還有一種所謂閃爍效應(yīng)”引起的損耗。由于工藝不佳，在極板邊緣可能會含有不連續(xù)金屬膜層和孤立的導(dǎo)電微粒， 在較高電壓作用下，它們之間會發(fā)生微放電現(xiàn)象，這就是所謂的 閃爍效應(yīng)”潮濕對電容器損耗tgS的影響也十分明顯，在潮濕環(huán)境中，電容器表面上逐漸凝結(jié)水分， 形成水膜，使表面漏導(dǎo)電流增大，導(dǎo)致 損耗tgS增大。此外，當水分子進入介質(zhì)時，會改變材料的性能，同時會增大金屬層的氧化和腐蝕，促使電容器早期失效。5薄膜電容器損耗頻率特性按照國家標準，測試薄膜電容器損耗tg8時儀表的測試電壓檔設(shè)為 0.1V或0.3V,測試頻率為1KHZ，聚酯薄膜電容器的損耗要求<0.0080最大為0.0100),聚丙烯薄膜電容器的損耗tg8要求<0.0010這些電容器往往用于直流、使用電壓較低、使用頻率較小的場合。但是，有些電子儀器設(shè)備使用場合如彩電行逆程電路、開關(guān)電源電路等，它們的使用頻率較高在幾十 KHZ左右，而且有的電路有交流成分，因此要求電容器高頻性能要好，即電容器在高頻條件下的 |損耗要小。如果高頻損耗大，電容器在使用過程中，電容器自身就要消耗能量， 引起電容器芯子發(fā)熱，最終導(dǎo)致電容器芯子薄膜收縮，電容器失效。下面通過實驗數(shù)據(jù)我們了解電容器的高頻 損耗與測試頻率的關(guān)系。壺1麋醋薄膜電容器的高頻按耗與碩率的關(guān)系產(chǎn)品規(guī)咯型號序號tffitj6<10KHZ)tga(4OKHZ)It6(IDOKHZ)10.003S0.00900OltiO0.026520伽 0.025S3C00370.027040.0045O.OOOS0.015S0.026350.003?O.OOS30.61M:平塩0.0044MOMO.QldO0.0204結(jié)用斷魯腥電容器的高麺羽耗隨需碩豐的令羽而增切.?耳耗值與頻率不墨表2菠丙晞簿除電容器的衙頻損耗與碩率的關(guān)系產(chǎn)昂規(guī)増型號CBB21A—400V—L05J序?qū)?liQE)tfffi(1OKHZ)tg5(IOOEHZj10.000100008000*)60012020,0002000090.MM50.01223C.0QQ100007u(MMS40.00030.00090.00500.01255C.00C2aww?0.0120乎均0.000^0.000S0.0047訕力M%蹙丙烯簿歴電容器的離頻揭梆倒謝量韁蚊系* 麗軍個増加而樹!1?指駐偵與皺卓不綜上所述，薄膜電容器的高頻損耗隨測試頻率的增加而增加，兩者之間不是線性關(guān)系；聚丙烯薄膜電容器的高頻損耗要比聚酯電容器的高頻損耗小。由于聚丙烯|薄膜電容器的高頻|損耗小,因此聚丙烯薄膜電容器適用于高頻電路場合。6生產(chǎn)過程如何降低薄膜電容器的高頻損耗薄膜電容器在高頻狀態(tài)下的損耗主要是金屬損耗，主要有：電容器引出線損耗、電容器極板損耗以及接觸損耗?，F(xiàn)在薄膜電容器使用的引出線為鍍錫銅包鋼線或鍍錫銅線， 它們自身的損耗極小，可忽略不計。所以高頻條件下 薄膜電容器的損耗主要是極板損耗以及接觸損耗。在薄膜電容器生產(chǎn)過程中，注重從以下幾方面解決：箔式薄膜電容器使用的電極材料是鋁箔，要求其厚度均勻、導(dǎo)電性良好、沒有腐蝕現(xiàn)象，鋁箔端面沒有磕碰；2）金屬化薄膜電容器使用的材料是金屬化薄膜，它是把金屬鋁（或其它金屬）用真空蒸發(fā)方式沉積在介質(zhì)表面，這樣可縮小電容器的體積，提高電容器的自愈性， 降低電容器的成本。但是由于薄膜在真空蒸鍍過程中或是金屬化 薄膜在分切過程中以及卷繞電容器芯子過程中容易出現(xiàn)薄膜的金屬化層劃傷，這對金屬化薄膜電容器是致命的傷害，它將導(dǎo)致電容器極板 損耗的增加，用戶上機使用這樣的電容器后果非常嚴重，要堅決禁止這樣的電容器岀廠。首先我們要加強入廠金屬化薄膜的抽樣檢驗，除對金屬化薄膜的電性能、厚度、寬度、外觀、金屬層的方阻檢驗外，還要檢驗薄膜上金屬層的附著力、金屬層上是否有疵點以及金屬層上是否有劃傷。杜絕不合格原材料進廠。其次要加強卷繞工序生產(chǎn)過程中檢驗和巡檢，電容器芯子經(jīng)過首件檢查，合格后才能批量生產(chǎn)；在批量生產(chǎn)過程中，加強對電容器芯子的巡檢， 發(fā)現(xiàn)問題及時解決，保證卷繞工序的產(chǎn)品質(zhì)量。對于要求高頻損耗的薄膜電容器，賦能工序要抽檢其|損耗，在抽檢過程中，如果發(fā)現(xiàn)異常，要及時對該批產(chǎn)品進行試驗， 試驗合格下轉(zhuǎn)，如果試驗不合格，該批產(chǎn)品要進行降級或報廢處理。3）金屬化薄膜電容器芯子的端面要噴涂上金屬（一般為鋅、鋅錫合金） ，電容器的外引出線（一般為鍍錫銅包鋼線）就焊接到電容器芯子端面的金屬上（噴金層） ，這樣電容器的接觸損耗主要就是兩個方面。一是電容器芯子端面和金屬層之間的接觸質(zhì)量； 二是電容器的引岀線與金屬層之間的接觸質(zhì)量。為了降低薄膜電容器的接觸損耗，應(yīng)從以下方面著手：⑴.電容器芯子端面和金屬層之間的接觸質(zhì)量，即金屬層與電容器芯子的附著質(zhì)量。圖 3為薄膜電容器解剖圖，上面所說的就是 1電容器芯子與2金屬層之間的附著質(zhì)量。廠I電看■芯革圖3金屬化薄膜電容器解剖圖a卷繞錯邊：根據(jù)電容器的品種、電容量、額定電壓選取適當?shù)牟牧?，金屬?薄膜電容器選取適當?shù)慕饘倩∧?，電容器在卷繞時要選取適當?shù)牟牧襄e邊， 如果錯邊較小，電容器芯子端面在噴涂金屬時，金屬顆粒就會噴到芯子內(nèi)部，造成電容器短路；如果錯邊過大， 電容器芯子端面的金屬層附近不牢，影響電容器的高頻 損耗。據(jù)此，我們用0.618法選取最佳的卷繞錯邊， 如表3序號1234電容罷菇定電在50V—10QV用30材科卷塢觀認7噴金工藝設(shè)定電容器的噴金工序是最重要的工序，噴金 工藝參數(shù)設(shè)定不好，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，它會造成電容器芯子的短路、芯子端面的金屬層與芯子附著力不好， 從而造成電容器高頻|損耗增大。我們用正交試驗法進行了試驗，確定了電容器噴金工序的最佳 工藝參數(shù)，如表4。表4電穹器詵全工序念坐工藝參數(shù)壓毬電壓（V）電爲U）0.5^0.020*6100±10送絲速匡噪涂層數(shù)2^