高储能密度金属化膜电容器应用性能及其影响因素研究

摘要

金属化膜电容器(MetallizedFilmCapacitor,MFC)是脉冲功率系统中关键储能器件,其应用性能直接影响到脉冲功率系统的输出技术参数。本文的研究对象是以双向拉伸聚丙烯(BiaxiallyOrientedPolypropylene,BOPP)作为介质的MFC,针对其应用性能中关键的两个方面——工作寿命和电压保持性能进行了研究,并通过试验和理论分析研究了自愈特性、电导特性、松弛极化特性对MFC应用性能的影响。
　　首先,介绍了MFC应用性能试验研究。探讨了MFC工作寿命随工作场强幅值和反峰系数的衰减规律,以及MFC电压在各种工作条件下(包括不同工作场强、工作温度、充电速率和电压保持时间)的损失规律和特征。试验结果表明,MFC工作寿命与工作场强有较大相关性。MFC工作寿命随电场幅值增加而衰减,衰减函数为L/L0=(E/E0)-7.32;MFC工作寿命与反峰系数的关系满足函数式L/L0=(lnβ0/lnβ)-0.7。MFC电压损失的一般规律是在断开充电电源瞬间,电压降落较快,然后下降趋势趋于平缓。当工作场强和工作温度升高,则在相同时间内MFC电压下降加快;当充电速率越慢,电压保持时间越长,则在相同时间内MFC电压损失下降减慢。初步分析认为MFC应用过程中工作寿命衰减、电压损失等现象与自愈特性、电导特性以及松弛极化特性相关。
　　其次,研究了高场强下MFC自愈特性。通过对高方阻(Rsq>30Ω/□)结构金属化膜进行了自愈模拟试验。试验结果表明,金属化膜单次自愈能量与电极方阻的二次方呈反比关系;单次自愈清除的电极面积与自愈能量呈正比关系;自愈能量与BOPP膜击穿电压的二次方呈正比关系;自愈能量随层间压强增大而减小。通过自愈能量与BOPP膜击穿电压的关系,建立自愈损耗-工作场强-工作寿命的关联性,推算出MFC工作寿命与工作场强的关系满足L/L0=(E/E0)-m,与试验结果相符。通过自愈能量与层间气隙的关系,提出通过外包膜加强、热定型优化、真空端封和浸渍优化等技术有效抑制外层气隙对MFC自愈的影响,优化自愈性能,使MFC工作寿命分别提高至1.6倍、1.2倍、1.6倍和4.5倍。通过自愈清除电极面积与自愈能量的线性关系,建立了自愈特征参数-电压损失的关联函数,用于计算因自愈损耗能量所导致的MFC电压损失。
　　然后,研究了高场强下MFC电导特性。在Poole-Frenkel效应的基础上推导了高场强下BOPP膜电导率与场强、温度的函数关系,然后测试了高场强下BOPP膜电导率。试验结果表明,BOPP膜电导与场强、温度和结晶度相关。当场强低于10V/μm,BOPP膜电导基本保持不变。当场强在10V/μm~100V/μm时,BOPP膜电导率随场强升高而逐渐增大。当场强高于100V/μm时,BOPP膜电导率随场强增大速率明显加快。当场强达到400V/μm时,BOPP膜电导率已接近10-15S/m量级。温度对BOPP膜电导率的影响主要体现在增加初始载流子浓度,即是增加初始电导率。在高场强下(250V/μm~450V/μm),BOPP膜结晶度越高,电导率越低。当结晶度由46％减小至39%,则电导率增大至2~3倍。在试验及理论研究基础上,推导出了电导率与电压损失的关联函数,用于计算因电导损耗所导致的MFC电压损失。
　　最后,研究了高场强下MFC松弛极化特性。通过理论分析建立了MFC松弛极化电路模型,然后对高场强下MFC进行了松弛极化电荷量测试。试验结果表明,高场强下MFC松弛极化时间较长,达到几百甚至几千秒;松弛极化的强度与场强相关,场强越高,BOPP膜内部松弛极化强度越高;400V/μm场强下,当MFC极化过程接近稳态,松弛极化电荷与快极化电荷比值ΔQa/Qh≈13.5%。在试验研究及理论分析的基础上,分析了松弛极化对MFC应用性能的影响主要包括引起介质损耗、造成BOPP膜老化击穿、造成MFC电压损失三方面,可以解释反峰系数对MFC工作寿命的影响以及电压损失与充电速率、充电保持时间的关系。基于试验结果拟合得出MFC松弛极化电路参数,计算出因松弛极化损耗导致的MFC电压损失。研究结果表明,在MFC断开充电电源瞬间,由于松弛极化作用电压损失较快;当充电速率减小、充电保持时间延长时,松弛极化造成的MFC电压损失降低,此时MFC电压损失主要由介质泄漏决定。

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1 绪论

1.1 脉冲功率系统对储能电容器的需求

1.2 脉冲电容器的发展历程

1.3 高储能密度脉冲电容器的研究现状

1.4 主要存在的问题

1.5 研究内容及章节安排

2 金属化膜电容器应用性能试验研究

2.1 MFC的工作特点

2.2工作电场对MFC工作寿命的影响

2.3 MFC保压性能的影响因素

2.4 本章小结

3 高场强下金属化膜电容器自愈特性研究

3.1高方阻结构的金属化膜自愈特性

3.2 高场强下自愈模拟试验研究

3.3 自愈损耗对MFC应用性能的影响

3.4 本章小结

4 高场强下金属化膜电容器电导特性研究

4.1 高场强下金属化膜电导

4.2 高场强下电介质电导机理

4.3 高场强下BOPP膜电导率测试

4.4 电导损耗对MFC应用性能的影响

4.5 本章小结

5 高场强下金属化膜电容器松弛极化特性研究

5.1 高场强下BOPP膜极化的特点

5.2 松弛极化电路模型

5.3 MFC松弛极化测试

5.4 松弛极化对MFC应用性能的影响

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文