高能密陶瓷电容器寿命特性及影响因素的研究

摘要

脉冲功率技术的发展需要能源系统小型化、轻量化。储能元件作为能源系统中占据最大比例重量与体积的部件，其储能密度的提高意义重大。在各类储能元件中，现阶段电容器因其较为成熟的技术而得到广泛的应用。 钛酸钡（BaTiO3）陶瓷由于具有高介电常数、高电压等级、长寿命、耐高反峰等优点适合作为高储能电容器介质。本文主要针对研制出的电压等级为500V－1000V、单片容量1mF～10mF的高储能密度（700J/L）的多层陶瓷电容器（MLC）进行了温度特性和寿命特性研究，并分析了MLC在直流和交流条件下的击穿机理，提出了BaTiO3陶瓷的疲劳击穿模型。 本文从影响MLC电气特性的因素出发，从BaTiO3微观角度入手，介绍了其高介电、高介质损耗、电致伸缩效应等。并归纳了击穿的几种形式，提出了BaTiO3陶瓷在交变电场下疲劳击穿的失效形式。为进行MLC的相关实验，作者研制了进行直流耐压以及重复充放电实验的实验台，该实验台实现了自动控制、自动记录实验数据，故障后自动保护等功能，保证了实验工作的高效、准确的开展。 在MLC的温度特性实验研究中，发现MLC电容量由于配方中添加了移峰剂和压峰剂而在常用的温度范围内保持稳定；MLC的介质损耗角正切（tgδ）随着温度的升高而下降，这有利于MLC在交流条件下长期使用；MLC的直流击穿电压随着温度的升高有所下降，但在较大的范围内仍保持比较高的值。通过实验和理论分析，可以认为MLC具有比较理想的温度特性，使用范围很广。 在MLC的寿命特性实验研究中，发现MLC的寿命随着充电电压、充放电频率和反峰系数的提高而大幅下降，而充放电占空比对寿命无影响。从这些实验结果可以得出，介质内应力和温度是影响MLC寿命的关键因素，其中尤以应力影响最为明显。当MLC温度较高时，易发生热击穿，此时寿命很短；当MLC温度相对较低时，MLC发生的击穿为疲劳击穿，疲劳击穿要经过放电通道发展的过程，主要受内应力和温度影响。 最后本文对所做研究工作进行了总结，并对下一步的研究工作提出了展望。