金属化膜脉冲电容器寿命特性

从热处理工艺、电极结构设计及工作场强等方面对电容器寿命性能加以分析与试验研究。结果表明:金属化膜电容器热处理温度的选择需要综合考虑膜的收缩以及电极厚度;对应不同方阻,热处理温度存在一个最优值,在该值下电容器可获得最佳的自愈性能,进而达到较长的工作寿命;在不同工作场强下,需权衡电极边缘局部放电以及膜中自愈产生的容量损失比例,优化电极结构。在电极结构、热处理工艺等参数优化设计的基础上,研制出的1.0 kJ/L电容器达到10 000次的大电流充放电寿命。     

电压反峰对脉冲电容器寿命特性的影响

以金属化聚丙烯膜电容器电压反峰为研究对象,探讨了脉冲电流对电容器寿命的影响机制,通过对电容器在不同电压反峰系数下进行寿命测试,研究了电压反峰系数与电容器寿命之间的关系。研究结果表明:当电压反峰系数在10%~65%时,电容器寿命成指数下降。基于试验结果,通过统计分析的方法,拟合出寿命随电压反峰系数变化的经验公式,可以用来预测不同反峰系数下金属化聚丙烯膜电容器的寿命特性。     

高压重复频率快脉冲下变压器油中的闪络

介绍了重复频率快脉冲下固/液体介质交接面闪络初步的实验结果.脉冲功率源为基于半导体断路开关(SOS)的SPG200,固体介质为有机玻璃和尼龙,液体介质为变压器油.在相对低频阶段,闪络耐压时间与闪络场强随外加电压脉冲频率的增加非线性迅速减小,在约200 Hz以后,两者下降的趋势明显减缓.随着脉冲频率的增加,闪络耐压时间在统计上变小的同时,在一定区间内的分布也更均匀.分析表明,在不同实验条件下,重复频率显著低于单次下的沿面闪络和体击穿场强.两类场强都随脉冲频率增加非线性下降,在约200 Hz以后,下降的程度减弱.闪络场强随重复频率电压脉冲频率的变化表明,电压作用时间是绝缘介质击穿的根本要素,脉冲电压对绝缘介质的作用时间越长,沿面闪络越容易发生.     

冲击波加载下孔隙率对Pb_(0.99)(Zr_(0.95)Ti_(0.05))_(0.98)Nb_(0.02)O_3铁电陶瓷去极化性能的影响

制备了四种不同孔隙率的Pb0.99(Zr0.95Ti0.05)0.98Nb0.02O3铁电陶瓷,并研究了冲击波作用下孔隙率对陶瓷去极化性能的影响.研究表明:短路负载条件下陶瓷的放电波形不随孔隙的加入而改变,均为方波.多孔陶瓷的放电脉冲幅度较低,脉冲宽度较长.释放的电荷量随着孔隙率的增加而减小,与静态电滞回线测试结果一致.多孔陶瓷具有较低的冲击阻抗,改善了与封装介质的阻抗匹配.用Lysne模型拟合了材料在高电阻负载条件下的放电行为,并指出高电阻负载条件下材料的介电常数是静态介电常数的4—5倍,而且材料的介电常数随孔隙率的增加而减小.冲击波通过样品以后,电路的放电时间常数随着孔隙率的增大而增大.随着电阻的增大,样品负载电压增高,材料铁电-反铁电相变受到抑制,电流上升沿变缓,致密陶瓷出现了击穿现象.     

活性炭超级电容器电极材料放电过程非线性特征研究

论述了活性炭超级电容器材料充放电性能的测试方法步骤和测试结果,在此基础上,通过模拟,确定放电电流随时间的变化规律.建立物理模型,用固体物理理论,从微观角度研究材料的电阻随温度的变化,进而得到活性炭超级电容器材料放电电流强度随温度和放电时间变化规律的解析式,探讨材料原子的非简谐振动对电极材料放电性能的影响.结果表明:(1)电极材料放电电流随时间的变化并不遵从将它作为线性元件处理时的按时间的负指数规律变化,而是非线性减小,减小的情况与温度有关;(2)活性炭超级电容器材料的电阻随温度升高而增大.增大情况与原子振动情况有关:将原子振动作简谐近似处理时,材料的电阻的倒数几乎与温度成反比,考虑到原子非振动后,其电阻随温度升高而增大的情况加剧,温度愈高,非简谐振动项的影响愈大;(3)本文提出的物理模型和采用的理论,能对活性炭超级电容器电极材料放电性能进行有效的研究.     

全膜脉冲电容器电热老化分析

全膜脉冲电容器是脉冲功率系统的重要储能单元,其寿命影响着整个系统的可靠性。在脉冲工况下,全膜脉冲电容器的失效多为突发失效,且寿命的分散性较大。为探究全膜脉冲电容器老化失效机理,开展了其寿命试验及电场与温度场的仿真。利用LTD基本放电单元（Brick）实验腔体对电容器进行寿命测试并获得失效电容器,分析了失效电容在不同故障形式下的失效原因,并利用有限元分析软件对电容器局部“电场易畸变”区域进行了电场仿真,说明上述区域存在的畸变电场是发生绝缘介质击穿的主要原因;对电容器进行温度场分析,发现电容器温度与充放电频率成正相关,温度最高点位于电容器几何中心处附近,在充放电频率较低时,电容器温升不明显,说明在较低充放电频率下,电容器绝缘介质老化以电老化为主,而非热老化。     

应用于脉冲功率系统的高储能密度电容器

介绍了现有技术条件下脉冲电容器的各种性能参数及其测试方法,包括储能密度、寿命、保压性能、绝缘电阻等;同时介绍了元件的主要分析测试手段,如大电测试、保压测试等,并研究了后处理工艺、介质系统优化和绝缘系统优化对电容器性能的影响。在此基础上,面向不同应用条件如大电流放电、长寿命、真空环境等,对高储能密度脉冲电容器进行研究,并给出相应的性能参数、限制条件和发展前景。研究结果表明:50 kV/20 F的电容器,可实现120 kA/80 s的大电流输出,并通过-50~60 ℃的高低温考核;基于绝缘系统优化的浸渍型脉冲电容器,充放电寿命为干式结构的2~3倍,储能密度为2.0 kJ/L时,寿命大于1 000次,储能密度为1.3 kJ/L时,寿命大于10 000次;1.4 kJ/L高储能密度电容器,可以工作在气压小于10-3 Pa的真空条件下,输出电流达100 kA。     

随机阈值冲击模型金属化膜脉冲电容器可靠性分析

基于惯性约束聚变强激光装置中金属化膜脉冲电容器"自愈"的失效机理,提出了更为适合的冲击模型金属化膜脉冲电容器可靠性评估方法。现有的加速退化试验中,失效阈值往往是事先确定的,但考虑可靠性产品个体差异及环境影响的不同,这是不合理的,针对此问题提出了基于随机阈值的冲击模型金属化膜脉冲电容器退化建模的方法。由于模型过于复杂,采用MCMC方法进行参数估计。最后通过对电容器的仿真实验,将随机阈值下的评估结果与固定阈值的情况相对比,说明了该模型和方法的合理性,并进一步分析了不同的阈值分布均值和方差对产品可靠性的影响。     

高能电子照射绝缘样品的泄漏电流特性

建立了考虑电子散射、输运、俘获和自洽场的数值计算模型, 研究了高能电子束照射下绝缘厚样品的泄漏电流特性, 并采用一个实验平台测量了泄漏电流. 结果表明: 在电子束持续照射下, 电子总产额会下降; 由于电子在样品内部的输运, 样品近表面呈现微弱的正带电, 在样品内部呈现较强的负带电; 样品内部电子会向下输运形成电子束感生电流, 长时间照射下会形成泄漏电流; 随着照射, 泄漏电流逐渐增大并趋于稳定值; 泄漏电流随样品厚度的增大而减小, 随电子束能量、电子束电流的增大而增大. 关键词： 绝缘样品 泄漏电流 电子产额 数值模拟     

电磁脉冲模拟装置用3 MV中储电容器的研制

介绍了一台大型垂直极化有界波模拟装置所用中间储能电容器（简称中储电容器）的设计过程和实验结果。电容器采用基于元件和组件的模块化设计,呈锥台状结构,支撑壳体为真空工艺玻璃钢材料。电容器容值由模拟装置等效的二级脉冲压缩回路决定,取值为1.8 nF。电容器内部绝缘介质为十二烷基苯,外部绝缘介质为45#变压器油,设计耐压3 MV,其绝缘长度主要由元件的体绝缘特性决定。采用三维电磁仿真软件估算中储电容器与中储开关构成回路的电感为659 nH,接近于实测数据623 nH。电容器上脉冲电压的测量通过对电容器电流进行积分来获取,而电流的采集采用封装在SF₆气体中的3个膜电阻并联后所构成测量模块实现。实际运行数据表明,中储电容器容值达到设计值,测量探头标定系数稳定,在工作电压3.1 MV条件下未发生绝缘问题。     

基于加速退化数据的金属化膜脉冲电容器可靠性分析

 基于金属化膜脉冲电容器的失效机理，研究了基于加速退化数据的金属化膜脉冲电容器可靠性评估问题，给出了一个该型电容器的加速退化失效模型和参数统计推断方法。基于试验数据可求得该型电容器可靠性模型中未知参数的估计值分别为9.066 9×10^{-8sup>和0.022 1，将该值代入失效分布函数即可确定电容器的失效模型，由此模型求得该型电容器充放电20 000次的可靠度为0.972 4。使用这种分析方式对金属化膜脉冲电容器进行可靠性分析将更能节省试验时间和费用。}     

电极材料及偏压极性对氧化物介质击穿行为的影响及机制

忆阻器和能量存储电容器具有相同的三明治结构,然而两个器件需要的操作电压有明显差异,因此在同一个器件中,研究操作电压的影响因素并对操作电压进行调控,实现器件在不同领域的应用是十分必要的一个工作.本文利用反应磁控溅射技术在ITO导电玻璃、Pt/Si基底上生长了多晶ZrO_2和非晶TaO_x薄膜,选用不同金属材料Au, Ag和Al用作上电极构建了多种金属/氧化物介质/金属三明治结构的电容器,研究了器件在不同偏压极性下的击穿强度.结果发现:底电极是ITO的ZrO_2基电容器在负偏压下的击穿电场比Pt电极器件稍大.不管底电极是ITO还是Pt, Ag作为上电极时器件的击穿强度均存在明显的偏压极性依赖性,正偏压下的击穿电场减小了一个数量级;相反,在Al作为上电极的Al/TaO_x/Pt器件中,正向偏压比负向偏压下的击穿电场增加了近2倍.上述器件的不同击穿行为分别可以由氧化物电极和介质界面层间氧的迁移和重排、电化学活性金属电极的溶解迁移和还原以及化学活性金属电极与氧化物界面的氧化还原反应来解释.该实验结果对有不同操作电压要求的器件,如忆阻器和介质储能电容器等在器件设计和操作方面具有指导意义.     

自愈式金属化膜脉冲电容器耗损失效模型

 自愈式金属化膜脉冲电容器广泛应用于各类激光装置的能源系统中，它的可靠性直接影响到系统的可靠性与运行费用。在参考国外相关研究方法的基础上，分析了金属化膜脉冲电容器的失效机理，提出了一种新的耗损失效模型-Gauss Poisson模型，该模型将电容器的损耗分成自然损耗和突发损耗，与脉冲电容器传统的寿命分布模型Weibull模型相比具有预测更为精确的特点，而且基于该模型的寿命试验具有设计简单、时间较短、费用较低等优点，是一种较好的退化失效模型，应用前景较为广阔。     

基于耗损失效模型的金属化膜脉冲电容器可靠性评估

 高储能密度金属化膜脉冲电容器是惯性约束聚变装置的关键元器件，由于其“自愈”特性，在短时间内很难得到它的失效数据。通过分析电容器的失效机理，给出了金属化膜脉冲电容器的一个耗损失效模型，推导了该模型的失效概率密度函数和分布函数，并利用电容器的性能衰退数据对其进行了可靠性分析。所选的某型金属化膜脉冲电容器未知参数估计值为0.000 119 4和0.006 7，将该值代入失效分布函数和概率密度函数中，从而确定电容器的失效模型，由此模型求得该型电容器充放电10 000次的可靠度为0.988 5，预计寿命为23 461次充放电。在工程实践中使用该模型对该型电容器进行可靠性分析可节约大量的试验成本。     

Electrical conduction of metallized BOPP films based on revised Poole–Frenkel effect

In high energy density capacitors, the electrical conduction in the dielectric may result in the leakage and the reduction of the energy efficiency. This paper investigates the electrical conduction mechanism of metallized biaxially oriented polypropylene (BOPP) film based on a revised Poole–Frenkel (PF) effect and field-enhanced carrier mobility. The field-enhanced carrier mobility which is not taken into account in traditional PF effect is investigated in the revised PF effect based on the carrier hopping mechanism. Moreover, the coefficient of the PF effect (β_PF) which stands for the variation of the barrier height is discussed. Experiments are performed to measure the electrical conductivity of the BOPP film under different electric fields. Influencing factors such as metallized electrodes, the interlayer pressure in the winding, and the crystallinity may decrease the conductivity. With a fitted jump distance of 0.6 nm, the calculated conductivities based on the revised PF effect do match well with experimental results.     

加速退化试验下金属化膜脉冲电容器可靠性评估

 分析了金属化膜脉冲电容器的失效机理。根据金属化膜脉冲电容器加速退化数据,研究了其可靠性评价问题。基于疲劳失效的Birnbaum-Saunders模型,建立电容器失效分布函数。根据试验数据可求得该型电容器可靠性模型中参数估计值,并将该值代入失效分布函数即可确定电容器的失效模型,求得该型电容器充放电20 000次的可靠度为0.972 4。使用这种分析方式对金属化膜脉冲电容器进行可靠性分析将更能节省试验时间和费用。     

Response of the capacitance and dielectric loss of the SrRuO<Subscript>3</Subscript>/SrTiO<Subscript>3</Subscript>/SrRuO<Subscript>3</Subscript> film heterostructures to variations in temperature and electric field

Three-layer epitaxial heterostructures with a 750-nm-thick intermediate strontium titanate layer between two strontium ruthenate conductive thin-film electrodes have been grown by laser deposition. Photolithography and ion etching have been used to form film parallel-plate capacitors based on the grown heterostructures. The capacitance (C) and dielectric loss tangent (tanδ) of the parallel-plate capacitors have been measured in the temperature range T = 4.2–300 K at an applied bias voltage of up to ±2.5 V and without it. At T > 100 K, the temperature dependence of the dielectric permittivity (ε) of the SrTiO₃ intermediate layer is well approximated by the Curie–Weiss law taking into account the capacitance induced by the penetration of an electric field into the oxide electrodes. At T ≈ 20 K, the dielectric permittivity ε of the SrTiO₃ intermediate layer decreases by approximately 20% in an electric field of 25 kV/cm. The dielectric loss tangent of the film capacitor heterostructures decreases monotonically with a decrease in the temperature in the range from 300 to 80 K and almost does not depend on the electric field strength. However, in the range from 80 to 4.2 K, the dielectric loss tangent increases nonmonotonically (abruptly) with a decrease in the temperature and decreases significantly in an applied electric field.     

高储能密度陶瓷电容器的性能

 根据陶瓷介质材料具有高介电常数和高工作场强的特性，从理论上分析了陶瓷电容器具有的储能密度高、可工作在数kHz至数MHz的振荡放电回路中和老化缓慢等特性。对试制的1μF/500V的多层陶瓷电容器（MLC）试样品进行了750V 的1min直流耐压和100Hz重复充放电等可靠性试验研究，结果表明：该MLC在500V工作电压下（对应的体积储能密度达到720J/L）重复充放电寿命达10⁷次以上；50kHz振荡放电输出电流峰值达320A；试验前后电气性能保持不变。因此，这种陶瓷电容器适合用作强脉冲大功率电源的储能元件。