金属化薄膜电容器气隙电离现象的讨论

(常州常捷科技有限公司,江苏常州 213031)

脉冲功率电容器是新概念电磁武器包括电磁脉冲武器和电磁动能武器等的脉冲功率电源的关键件,也是激光激发核聚变系统的基础件[1]。从文献公开的国内外数据看,此类脉冲功率电容器的充放电寿命大多不长,在能量密度为2.0 J/cm3左右时仅数千次而已。即使美国GA公司研制的CMX型电容器在2.0 J/cm3条件下,也只能达到5万次的水平[1],实用价值似乎仍然不高。正常情况下,脉冲功率电容器充放电寿命的长短是指在规定的容量衰减条件下充放电的次数。显然此类电容器在充放电试验或实际应用过程中必然会产生电容量的减小,这种减小会导致脉冲功率装置无法正常运行。分析其原因,电容器介质层间发生了气隙电离应该是其中之一。因此,对于干式金属化薄膜电容器而言,本文深入讨论研究其气隙电离的有关问题,对于增加脉冲功率电容器的充放电寿命具有一定的意义。

1 气隙电离发生的原理

金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存在着气隙。由于薄膜厚度的不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙 “中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2],在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意见图1。

图1 电容器介质层间发生气隙电离的原理示意Fig.1 The schematic diagram of air ionization occurred between dielectric layers of the capacitor

2 气隙电离现象的实例描述

发生气隙电离后的电容器,在介质薄膜电极镀层上形成电离斑点的两例状况见图2和图3。

图2是一只1000 pF的圆柱形多串联电容器在10 kV AC电压下数分钟内迅速发生气隙电离并解剖后两层金属化薄膜的图片。图中白色条状为介质薄膜,黑色条状是薄膜上的金属化镀层,其上的白色圆点、半圆点即为金属化镀层被蒸发后的电离斑点。在电容器电极上施加10 kV AC电压强迫其迅速发生气隙电离时,在电容器外表面能看到放电火花,并能听到 “叭叭”的放电声响。仔细观察图2可以发现,位于金属化镀层条边缘处的电离斑点大都呈半圆或大半圆形态,而且面积较大;而在金属化镀层条上的斑点则呈现圆形且面积较小。这一现象表明,在金属化镀层条的边缘,由于10 nm左右的镀层厚度和薄膜表面之间形成的空隙使得该处存在较多的气隙,而相对集中的较多气隙电离增加了该处的放电能量,从而蒸发掉较大面积上的金属化镀层;而缺失的半圆部分,则是因为该处没有金属化镀层电极而不会吸引带电离子的撞击,因而不存在放电火花,也不可能出现电离斑点。此外,电离斑点的不规则分布可以说明气隙的不规则存在。

图2 形成电离斑点的金属化薄膜图例之一Fig.2 The first illustrations of metallized film with ionization spot

图3 形成电离斑点的金属化薄膜图例之二Fig.3 The second illustrations of metallized film with ionization spot

图3是一只交流状态间歇使用三年后因为电容量下降20%而失效的电容器在解剖后两层金属化薄膜重叠在一起的图片,图4、图5则是把重叠的两层薄膜分开后单层薄膜的电离状况。该电容器使用边缘加厚金属化薄膜制造。仔细观察图4、图5可以看到,两层薄膜上的气隙电离现象有三个特点：其一是在金属化边缘加厚区电离斑点较少而且面积较小,这是因为在边缘加厚部位的金属化镀层较厚,并由此导致了电容器芯子在压扁定型时薄膜层与层之间相对致密而气隙较少的缘故;其二是在金属化加厚区和普通区的交界处,均有一排面积较小但非常密集的电离斑点,这一方面是由于金属化镀层在此有一个由厚向薄的过渡带,导致该处气隙较多,因而气隙电离也就较多,另一方面是由于该处镀层厚度尚未明显降低,气隙电离时蒸发掉的金属较少而致电离斑点也较小;其三是在薄膜宽度方向靠近镀层加厚区一侧、离开加厚区的部分,因为金属化镀层较薄,气隙也较多,同样的放电能量能蒸发掉更大面积上的镀层金属,因而导致了这一区域产生大量面积较大的电离斑点。

图4 图3中重叠的介质分开后一层薄膜的状况Fig.4 The status of a dielectric layer after the overlapping dielectric layer shown in figure 3 being separated

图5 图3中重叠的介质分开后另一层薄膜的状况Fig.5 The status of another dielectric layer after the overlapping dielectric layer shown in figure 3 being separated

3 气隙电离的后果

在灯箱上和高倍放大镜下观察上述图2至图5所示的气隙电离现象可以发现,电离斑点所在位置的介质薄膜基本正常,均没有发生穿孔,仅是表面上金属化镀层被蒸发掉而已。图4中几个电离斑点的放大图片见图6。其他发生更为严重气隙电离的电容器,尽管电容量下降甚至超过50%,但电容器仍未发生击穿的现象也可以证明此点。因此可以判断,对于金属化薄膜电容器而言,无论是短时内强迫发生的气隙电离,或是在较长工作时间内逐步发生的气隙电离,实际上不会发生介质的电离击穿,也就是说,金属化薄膜电容器不存在介质电离击穿的问题,因为一旦气隙电离发生,其造成的电离斑点已经没有了金属化镀层而不再处于电容器的工作电场之中,也就不存在介质进一步被击穿的问题。因此,在脉冲或交流电压的作用下,电容器介质和相邻电极镀层之间的气隙电离带来的后果不是文献所述 “交流电压下的电离性击穿[3]”,而是大量产生的电离斑点造成了极板面积的明显减小,从而造成电容量的显著下降而致电容器失效,严重缩短了电容器的使用寿命。对于脉冲功率电容器而言,如果存在气隙电离这一问题,则可能因为电容量的减小而达不到输出能量的要求,导致脉冲功率装置无法正常运行;对于电动机运转电容器而言,则由于电容量的减少会导致力矩减小,使得电动机不能正常运转。

图6 图4中几个电离斑点的放大图片Fig.6 The magnified photograph with a few of ionization spot shown in figure 4

4 气隙电离与自愈击穿的区别

金属化薄膜电容器在介质击穿时具有自愈的功能,自愈时也会发生放电声响并形成基本规则为圆形但大小不一的斑点,并导致电容量的减小。由此在一些场合会把气隙电离和击穿自愈两者混淆起来,但实际上它们却是两种不同的物理现象。不同于气隙电离的发生机理,自愈是在介质击穿瞬间,电容器的两个电极间在击穿位置发生间隙放电并形成瞬间的电流通路,导致了瞬间的过电流流过,间隙放电和瞬间过电流产生的热量蒸发掉穿孔点周围介质上的小块金属化镀层而形成斑点,并因此把穿孔点孤立于电容器工作电场之外而自愈。显然,不同的发生机理导致了气隙电离和击穿自愈两种现象存在着有无击穿孔的根本区别。此外,应该如何有效防止这两种现象的发生,也有着完全不同的途径。图7是一个击穿自愈斑点的图片,在放大镜下仔细观察自愈斑点,可以看到在击穿孔周围存在着一圈薄膜受热收缩形成的堆积物。

图7 金属化薄膜击穿并自愈后的图片Fig.7 The photograph of metallized film after breakdown and self healing

5 气隙电离的等效电路及分析

上述分析表明,对应用于脉冲和交流状态的干式金属化薄膜电容器而言,气隙电离是一个必须引起足够重视的问题,有必要进一步深入分析。

文献建立了具有封闭气隙的无机介质电容器模型,并导出了模型的等效电路[3]。参照其原理,可以建立气隙在介质和金属化镀层之间的金属化薄膜电容器模型及其等效电路如图8。在电容器中,气隙的分布是不均匀的,各个位置的气隙大小也不相同。按照模型,仅针对某一个扁平型且垂直于电场方向的气隙具体分析其击穿电压和电容器开始发生气隙电离的门槛电压之间的关系,并分析影响气隙电离的三个因素。

图8 分析气隙电离的电容器模型和等效电路Fig.8 The capacitor model and equivalent circuit for analysis of air ionization

在图8中,处于电场中的气隙具有厚度d1及面积S时,实际上构成了一个电容器。由于空气的相对介电常数近似为1,因此其电容量C1=ε0S/d1,ε0为真空绝对介电常数;而对应于气隙,由相对介电常数为εr、厚度为d的介质构成了面积和C1相同的电容器C2,其电容量为C2=εrε0S/d。显然,如图所示,当在电容器的两电极间施加电压U时,处于同一电场中的介质电容器C2和气隙电容器C1上的分压关系为U2/U1=C1/C2=d/(εrd1),因而有：U2=U1d/(εrd1),所以有U=U1+U2=U1[1+d/(εrd1)]。

根据对气隙电离现象的分析,在上式中当分配在气隙电容上的电压U1达到气隙的击穿电压Ub时,气隙开始发生电离。此时施加于电容器电极的电压U=Ui,称之为电离电压,实际上就是电容器可能发生气隙电离的起始门槛电压,于是有：

式中：Ub作为空气气隙的击穿电压,在同样外部条件下可以认为其值是不变的。因此,式(1)表明了电容器的电离电压Ui受d、εr和d1影响的关系。介质厚度d越大、相对介电常数εr和存在的气隙d1越小,越有利于提高电容器电离电压Ui的水平。但在工程上,由于介质厚度的增加会显著增大电容器的体积而没有选择的空间,所以不可能通过介质厚度来提高电离电压;而对于介质相对介电常数,就目前状况而言,基本上没有选择的余地。因此,影响电容器电离电压Ui的主要因素是介质层间存在的气隙d1。如同前文对气隙电离实例的描述和分析,电容器产生电离斑点的状况,主要取决于介质层间存在气隙的状况,包括气隙的多少、大小和位置的分布,也和导致气隙电离发生时气隙所处电场强度的大小以及对应位置镀层金属的厚薄等因素有关。

根据式(1),可以具体分析介质相对介电常数εr和存在的气隙d1对电容器电离电压Ui的影响程度。

6 介电常数大小对气隙电离的影响

虽然目前对介质相对介电常数基本没有选择余地,但在脉冲功率电容器的研发中,为了提升能量密度指标,往往会追求相对介电常数更高的聚合物介质,希望εr达到10甚至更高。如此材料制成的电容器,其他如放电特性等性能不论,单就气隙电离可能导致电容器电容量下降、充放电寿命缩短就是一个不容小觑的问题,必须重视。由此,对于相对介电常数εr对气隙电离的影响,使用比较方法进一步作如下分析：

假定有2只电容器Ca和Cb,他们的d和d1均相同,但介质的相对介电常数εr不同,而且有εrb=nεra,n＞1。根据式(1)有：

于是有：

由于n＞1,必然nd＞d

因此：Uib/Uia＜1

式(2)表明介质相对介电常数εr大的电容器在d和d1相同条件下比εr小的电容器电离电压会降低,而且εr越大,电容器的电离电压降得越低,在同样工作电压下更容易发生气隙电离。如果考虑在金属化薄膜电容器中气隙厚度d1非常之小,远不足以用μm来度量,在式(2)中把d1项舍去,则有：

式(3)中的n为两种介质材料相对介电常数大小的比值,该式近似表明了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的反比关系。按照此式,如果使用相对介电常数为11的聚合物介质制造电容器,则与使用聚丙烯膜介质的相同电容器比较,前者的电离电压即开始发生气隙电离的门槛电压会降低至后者的大约1/5。

7 气隙多少对气隙电离的影响

有文献指出,“有这样一个最小电压值约250 V(有效值),比它再低时,游离就不发生了[4]”。实际上,这一“最小电压值”的界限是有气隙多少的条件的。如果包括工艺在内的各种因素不能保证电容器介质层间存在的气隙低于某一水平,则很可能在200 V(有效值)甚至更低的情况下,仍然会发生气隙电离。可以作如下分析：

假设金属化聚丙烯膜电容器C在介质厚度为d、层间气隙为d1时的电离电压为Ui,如果C的层间气隙d1增加为d1′且d1′=nd1,n＞1,那么该电容器的电离电压Ui′会在Ui的基础上下降多少?

根据上述假设和式(1),有：

由此：

由于n＞1,必然nd＞d

因此：Ui′/Ui＜1

式(4)表明,介质层间气隙多的电容器,其电离电压一定偏低。如果考虑气隙厚度d1远不足以用μm来度量,在式(4)中把d1项舍去,则有：

式(5)中的n为同样电容器中介质层间气隙多少的比值,该式近似表明了电容器介质层间气隙多少影响电容器电离电压高低的反比关系。如果由于材料、工艺等因素导致电容器C的层间气隙在原来d1的基础上增加25% 即n=1.25,则电容器C的电离电压可能从原来的Ui下降为0.8Ui,即是说如果Ui原来为250 V(有效值),则气隙增加一定量后可能Ui就降为200 V(有效值)了。

8 解决气隙电离的参考途径

在大多应用场合,额定的脉冲电压或交流电压都会远高于电容器的电离电压。在此条件下,解决电容器的气隙电离问题只有两条途径：其一是消除存在于电容器介质层与层之间的气隙;其二是采用多串联的办法使其中每一串电容器上的工作电压低于其电离电压,从而不会发生气隙电离。

图9、图10显示了两只圆柱形多串联电容器在同样条件的脉冲充放电试验24万次并解剖后金属化薄膜(重叠在一起)的状况[5]。显然,图10电容器发生了严重的气隙电离,致使其与标称值0.02 μF相比,电容量下降了17%,仅为0.0166μF,而且可以看到电离斑点大量发生在金属化镀层条的边沿,和图2所示状况相似。其原因也和图2电容器相同,是由于金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙处积聚了较多气隙而造成,由此也能看出气隙d1之小。而图9电容器测量电容值几乎没有变化,解剖图片显示金属化薄膜状态正常,没有发现电离斑点。这两只电容器额定指标相同,尺寸均符合要求,只是设计上图9电容器比图10电容器多了一串。由此可以推测,恰恰是多出的这一串降低了每串电容器上承受的试验电压,使得此试验电压低于了它的电离电压。根据上述分析的结果还可以推测,若使用εr较高的介质材料来制造上述规格的电容器,则即使采用和图9电容器相同的串数时也可能导致气隙电离的发生。

图11是三组多串联电容器充放电寿命试验的曲线图,三组电容器均为0.02μF,但结构分别为6串、7串和12串,试验条件为温度100℃,脉冲电压15 kV,频率2.3 Hz[6]。试验曲线图表明：2只6串结构电容器在充放电39万次和78万次后均发生了严重的气隙电离,致使电容器的电容量发生雪崩式大幅下降;而7串结构的电容器在180万次充放电试验后电容量下降约为10%;至于12串结构的电容器则在180万次充放电试验后电容量变化很小,基本没有发生气隙电离。

图9 充放电试验后基本正常的金属化薄膜Fig.9 Basically normalmetallized film after charge and discharge test

图10 充放电试验后发生气隙电离的金属化薄膜Fig.10 Themetallized film occurred air ionization after charge and discharge test

图11 三组高压电容器充放电寿命的比较Fig.11 The comparison of charge and discharge life of three sets of high voltage capacitors

上述两例高压电容器充放电寿命试验结果表明,对于在脉冲或交流工作状态的电容器,尤其是高能量密度要求下的干式高压脉冲功率电容器,必须设计有合理的串联数才能防止其气隙电离的发生,由此提升其充放电次数,保证达到更高使用寿命的要求。如果为了提升电容器能量密度指标而使用相对介电常数εr较大的介质材料,则对串联数会有更高的要求,并且由此也会对介质材料的厚度控制造成更大的难度。

9 结论

在储能、电力等领域,使用干式金属化薄膜电容器已成为发展趋势。但干式电容器在制造过程中介质薄膜层间不可避免存有气隙,当运行的脉冲或交流电压超过电容器的电离电压时,在电场作用下上述层间存在的气隙会发生电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点。不断发生的气隙电离会严重减小金属化镀层电极的有效面积,从而显著降低电容器的电容量而影响整个系统的正常运行。分析表明：气隙电离不会导致电容器介质的电离性击穿,只会因电容量的减小而降低其使用寿命;使用相对介电常数较大的介质材料制造的电容器,使用时发生气隙电离的门槛电压会降低,在相同工作条件下更易发生气隙电离;交流状态工作时,只要低于250 V(有效值)即可防止发生气隙电离这一认知是有条件的,如果气隙偏多,即便在200 V(有效值)或更低工作电压时同样可能发生气隙电离,这种气隙多少对于电离电压高低的影响在脉冲功率电容器中同样存在;通过多串联方法降低每一串电容器上的工作电压,使之低于其电离电压可以有效地防止气隙电离的发生。对于干式高能量密度的脉冲功率电容器而言,为了保证其在允许的容衰条件下获得更多的充放电次数,从而延长电容器的使用寿命,这一点尤其重要。