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工业机械用 大型薄膜电容器技术发展

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近年来随着全球变暖,节省能源已成为世界课题。
3月11日的日本东部大地震导致的核电站事故也引发各国重新审视能源政策。今后、太阳光、風力発電等再生能源的市场规模将在全世界急速增大。
当前多数的工业机械为了达到节省能源的目的,而采用控制精确更高的变频器技术,所使用电容当中,薄膜电容器份额不断增加,并成为主导,主要是因为薄膜电容器有以下优势。

大型薄膜电容器
符图①:RUBYCON大型薄膜电容器

(1)寿命长,不需要维护更换。
(2)频率特性好,低损耗、低发热
(3)高耐压特性
(4)良好的自我修复、保护设计,
        提高了安全性
符图①是RUBYCON设计的大型薄膜电容器(由RUBYCON电子负责设计、生产)。RUBYCON应市场需求,为客户开发出了小型化、重量轻、低成本、高可靠性的大型薄膜电容器。

以下、以薄膜电容器「小型」「低ESR」「低ESL」为重点,作详细解说。

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电容的构造、等价电路

金属膜电容的构造是在塑胶薄膜上以真空金属蒸镀工艺制成介电体及电极,并按一定的幅度切割后,将两个电极薄膜卷取成型并进行热处理,然后对内部电极进行电镀后选用如引线等端子溶接或焊接而成。
作为金属薄膜电容器的一大特长、当介电体存在局部缺损或过电压等场合,施加在电容上的电压或是电容本身存储的电压将迅速氧化蒸镀金属,达到自修复的目的,此外,近年来、对金属薄膜的蒸镀膜设计成带有保险安全(保险丝)的构造也逐步成为主流。

符图①
符图①

符图①即为金属薄膜电容器的蒸镀构造,在其表面,将其分成多个部份并用保险丝相联,起到安全保护的作用。
当超出电容自修复的绝缘破坏时,保险丝将在大电流的作用下而熔断,该部份的电容将被断开,起到对整个电容的保护。金属薄膜电容器的特性,根据介电薄膜、电极的蒸镀金属种类、阻抗 、蒸镀模式等不同而不同。

符图② 金属膜电容截面图
符图② 金属膜电容截面图

符图②是金属膜电容的截面图。为了从带有内部电极的蒸镀金属层引出电极,采用电镀(金属熔射)技术,使熔射金属与内部电极的蒸镀金属充分的联接,否者将使电容ESR增大而使电容耐纹波能力大打拆扣,由此可见,金属熔射技术将是电容的重要技术要素。

符图③ 薄膜电容器等价电路
符图③ 薄膜电容器等价电路

符图③是薄膜电容器的等价电路图。理想的电容只存在电容成份C,但实际电容还有 IR(Insulation Resistance),两个电极间的电阻并不是无限大,会有微小的电流流过,这就是绝缘电阻。ESR(Equivalent Series Resistance)是电容介电体电阻、蒸镀及电镀接触电阻、引线端子电阻等串联电阻。

当高频电流流经电容时,如计算式①所示,ESR将消耗一部份功率并转换为电容发热。这种热将会受到最大发热限制,并影响产品寿命。ESL(Equivalent Series Inductance)是电极、引线端子等电感成份的等效串联电感。当ESL较大时,IGBT等功率半道体在开关时将产生较大的冲激电压。

计算式① 电容发热计算式

Pe=I2 RESR【Pe=实际功率(W)  I=流经电容的电流(Arms)】

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小型化

薄膜电容器的体积基本上同介电材料厚度的2次方成正比例,所以开发薄膜化介电材料对电容小型化非常重要。
一般情况下,诱电体的厚度越薄,其单位厚度所加电压(电势梯度)越高,导致电容器耐压下降、可靠性降低。改善此现象,蒸镀技术尤为重要。
RUBYCON非常重视对蒸镀技术的开发,并对保险丝模式蒸镀、金属蒸镀、蒸镀电阻等不断优化和设计。
符图④是本公司金属熔射型聚炳烯塑胶薄膜电容器在同一耐压下的体积推移图,以2000年100为基数制作的曲线。利用介电材料的特性改善、蒸镀技术开发等10年内实现了体积缩小到十分之一,大幅度改善了电容体积。

符图④ 金属熔射型聚丙烯塑胶薄膜电容器 小型化推移图符图④ 金属熔射型聚丙烯塑胶薄膜电容器 小型化推移图

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低ESR

等价串联电阻(ESR)主要受蒸镀金属及与其联接的电镀金属的联接电阻影响。减少该电阻将是设计和制造的重点。
如上所述,大型薄膜电容器的蒸镀构造以保险丝设计为主流。但如果保险丝设计不合理,为阻碍过大电流流经保险丝,ESR将被增大,为此也有可能导致保险丝不能起到正常保护的可能性。
为了提高蒸镀效果,每个公司都对蒸镀模式、蒸镀金属材料、蒸镀条件等进行优化,并对蒸镀金属和电镀联接持续改善。

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低ESL

在平滑电路中,有时需要大容量薄膜电容器,为此将多个电容素子以母线型式联接在一起型成电容模组,但由于母线电感,使整个电容的ELS增加。
当电流流经母线时,以电流磁场相抵消的母线设计将优化ELS,此外母线的材质、厚度也对ESL改善非常重要。

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产品休系

符表①是RUBYCON面向工业机械而设计的各种特长的大型薄膜电容器。MPC.MPV.HVC 3种系列应用于不同的用途。
①方型封装MPC系列(用于逆变器平滑、缓冲)
②圆型封装MPV系列(用于逆变器平滑)
③模块化HVC系列(EV.HEV逆变器平滑用、各种逆变器平滑用)

系列名MPC系列MPV系列HVC系列
产品MPC系列MPV系列HVC系列
特长小型、特殊端子圆型素子多素子并联构造,
可对应大容量要求
主要用途各种逆变平滑,缓冲用太阳能、风力发电逆变平滑EV.HEV 逆变器平滑
各种逆变器平滑
主要电压
容量范围
200VAC/1µF ~100µF
1600VDC 0.47µF ~2.2µF
250V~1200VDC /47~1500µF
250V~800VAC/47~1500µF
250V~2000VDC
100~2200µF
适用
温度范围
-40 ~ +85℃-40 ~ +85℃-40 ~ +85(+105)℃
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发展方向

当前、大多数逆变器使用硅半道体材料,但今后碳化硅(SIC)将逐步被使用。因此必需考虑薄膜电容器的更小型化, 耐高温,高可靠性的设计。
RUBYCON将整合市场需求,推进薄膜蒸镀技术的设计和发展,积极开发大功率薄膜电容器的高耐压、小型化、低ESR、低ESL等。

※本稿是2011年8月18日发行的电波新闻「高新技术」的基础上修改而成。

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