金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性*

张天洋，宋祖殷，袁云华，秦 舒，陈冬群，刘金亮

(1.国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙 410073;2.空军驻湖南地区军事代表室，湖南长沙 410100)

脉冲电容器作为爆磁压缩激励电流源的储能元件之一，是爆磁压缩发生器［1］(Magnetic Flux Compression Generators，MFCGs)的一个关键部件，通常要求单次可靠运行。正是由于单次运行，为脉冲电容器的过载工作提供了极大的可能。过载工作的电容器与额定电容器相比具有体积小、重量轻的优点，可实现爆磁压缩激励电流源的紧凑化。

近十年以来，美国德克萨斯大学脉冲功率中心对商业提供的电子元器件在脉冲功率领域的过载运行问题进行了大量研究，比如电池的大电流放电［2］、电阻的超功率使用［3］、电容器的过电压使用［4］等。本文研究了不同温度下国产金属化聚丙烯膜脉冲(Metalized Polypropylene Pulse，MPP)电容器的过载特性。

1 实验装置

图1 实验平台电路示意图Fig．1 Schematic of experimental facility

MPP电容器过载放电实验的实验装置如图1所示，图中AC为220V交流电源，其作用是提供稳定的交流电压，并通过变压器升压后经高压硅堆D对电容器C直流充电。R为20kΩ的水电阻，在电容器充电过程中起到限流的作用，同时在电容器击穿时保护充电回路，防止电容器击穿产生的大电流损坏充电回路。GAP为触发型气体火花开关，其作用是控制电容器C对负载电路放电。L为0.48μH负载，这个负载值相对较小，其目的是保证电容器有较大的输出电流，Rm为负载电感的内阻。C为样本电容器(型号:MMJ4－6.6)，由兰州长华科技发展有限公司生产，其具体参数如下:电容量6.6μF，额定电压4kV，体积 135cm3，重量 0．2kg，额定储能密度0．4kJ/L。实验前对电容器进行编号(0～50)。由于实验中要对不同温度下的电容器进行测试，因此需要在电容器内部安装一个温度探测装置。为了不影响电容器的各项性能，根据MPP电容器为卷绕型的特点，将温度探测装置置于卷绕支撑物内部，并将电容器两端喷金层区域用导线引出，最后在端口两端灌胶密封。

在电容器过载放电实验前，需要测试电容器的耐压性能。首先从样本电容器中抽取0～23号的电容器，并平均分成三组，每组8个电容器。其次在三个温度点(－45℃、25℃、60℃)分别对三组电容器的耐压性能进行测试，其中低温实验(－45℃)和高温实验(60℃)分别在高低温箱中进行。实验利用图1中的充电回路对电容器充过电压，直到电容器出现击穿放电损坏现象为止。由于击穿时电容器相当于短路，其两端电压很小，因此可以通过测量电容器两端电压的变化情况来判断其是否击穿，从而得到这种电容器的击穿电压值，最后分析实验数据得到不同温度下电容器的耐压值U0。

电容器过载放电测试中，首先从样本电容器中抽取24～50号的电容器，并平均分成三组，每组9个电容器。其次在三个温度点(－45℃、25℃、60℃)分别对三组电容器的过载放电能力进行测试。实验利用图1中的充电回路将电容器充到U0后，触发开关GAP导通，使电容器经放电回路对0．48μH负载L放电。

实验中要对电容器的温度、充电电压、放电电流以及电容器自身参数等进行测量，其中温度利用PT100热电偶温度探头及监控器进行测量，其精度为1℃，可实时监测。充电电压利用SDWFRC交直流分压器进行测量，其为阻容分压器，分压比为1000∶1，高压臂阻抗为1000MΩ，直流精度为1．0%，可实时监测。放电电流利用美国Pearson公司生产的Rogowski线圈进行测量，其为自积分线圈，测量灵敏度为1V/kA，I/U=1000，即被测电流经Rogowski线圈转换成电压信号，且两者成正比，比值为1000。电容器自身参数利用TH2822A手持式LCR仪进行测量。

2 实验结果及分析

2．1 电容器耐压性能实验

电容器耐压性能的实验测试结果如表1所示，表中给出了三个温度条件下各个电容器的击穿电压值，其中括号内数字为电容器编号，括号外数字为电容器的击穿电压值。

表1 电容器耐压性能实验结果Tab．1 Results of capacitor withstand voltage experiment

实验结果表明:

1)在60℃时电容器的击穿电压值普遍低于25℃和－45℃时的击穿电压值，这说明温度对于MPP电容器的击穿电压是有影响的，其存在一段最适宜的工作温度范围，超过这一温度范围时电容器的耐压性能有所下降。这是由于过高的温度会使电容器绝缘介质的绝缘强度下降从而出现热老化或热击穿的现象［5］。根据实验数据可以确定－45～25℃这个温度范围内是适合MPP电容器正常工作的。

2)在同一温度环境下，各个电容器的击穿电压值不尽相同，存在一定的偏差，但差别不大。这说明在一定温度环境下，MPP电容器存在一个耐压值，当充电电压高于这个耐压值时，电容器有可能发生击穿。根据实验数据可以定义三个温度下测得的击穿电压的最小值即为这种电容器在该温度环境下的耐压值。也就是说－45℃和25℃下，电容器的耐压值为5．7 kV。60℃下，电容器的耐压值为 5．3kV。

为了分析不同温度下电容器过载运行对其储能密度的提高程度，可根据式(1)进行计算。

其中 W0，C0，U0，V0分别为电容器过电压下的储能密度，电容量，充电电压和电容器体积;We，Ce，Ue，Ve分别为电容器额定电压下的对应参数。由于在－45～60℃范围内电容器的体积基本不变，因此式(1)可作上述简化。

根据式(1)计算得，－45℃和25℃环境下，电容器过载运行的储能密度可达到额定储能密度的2倍。60℃环境下，电容器过载运行的储能密度可达到额定储能密度的1．8倍。这表明在－45～60℃范围内用过载运行的MPP电容器作为爆磁压缩激励电流源的储能元件，其体积和重量相对额定工作的MPP电容器能够缩小55%以上。

2.2 电容器过载放电实验

电容器过载放电实验的结果如表2所示，表中给出了三个温度条件下各个电容器的放电次数(n)、电容量变化率(ΔC/C)、充电电压(U0)、放电电流第一峰值(Im)以及放电电流第一峰值对应时间(tm)。

表2 电容器过载放电实验结果Tab．2 Results of capacitor overstress discharge experiment

为了与实验结果进行比较分析，可根据式(2)和式(3)［6］计算 Im及 tm

式(2)和式(3)中，I0和 T0分别为无阻尼(R=0)条件下电容器放电电流的第一峰值及放电周期。

其中U0为电容器充电电压(－45℃和25℃时，U0为 5．7kV。60℃时，U0为 5．3kV)，C 为回路电容6．6μF，L 为回路电感 0．48μH，R 为回路电阻2mΩ。将实验测得的相关结果代入式(2)和式(3)计算，可得到不同温度下Im及tm的理论值，其中 －45℃和 25℃ 环境下，Im=17．8kA，tm=3．2μs，与实验数据 17 ～18kA，3．2 ～3．3μs相比基本相同;60℃环境下，Im=16kA，tm=3μs，与实验数据15.6 ～16kA，3．6μs相比 tm明显偏小。由式(3)可以发现，tm主要随C和L变化，当C或者L增加时，tm变大，反之亦然，而实验中回路电容C即为电容器的容值6.6μF，可直接测量，因此tm的实验值相对理论值偏大只能是由于回路的电感变大导致的，而回路电感主要由电容器内感、负载以及开关电感组成，其中负载为0．48μH，可直接测量，实验中所用开关为三电极火花开关，其间隙d=2cm，代入火花开关导通电感公式(7)［7］

由式(7)计算得开关与导通电感L为28nH。开关的导通电感与负载相比可以忽略不计，因此回路电感的变大只能是由于电容器内感变大导致的。将60℃环境下测得的tm值代入式(3)，可以计算出此时的回路电感为0．59μH。这表明在60℃环境下，电容器自身的内感相对于－45℃和25℃环境下有所增加，计算得其大约增加了100nH。

电容器过载放电实验中，在－45～60℃范围内对电容器充过电压，使其储能密度达到额定储能密度的1．8倍，且Im均大于15kA时，27个电容器均成功放电，因此可采用公式(8)［8－10］

计算此时电容器能够单次过载可靠工作的单侧置信下限，式中，n为样本大小，F为失败数，γ为置信水平，RL为可靠度R的单侧置信下限。根据计算得，在0．95的置信水平下，其 RL为0．9。这表明，在－45～60℃范围内过载运行MPP电容器，使其储能密度达到额定储能密度的1．8倍，且Im为15kA，此时可实现单次过载可靠工作。

3 结论

本文研究了MPP电容器在不同温度下的过载特性。研究发现，在－45～60℃范围内过载运行MPP电容器，其储能密度可达额定储能密度的1．8倍，且放电电流第一峰值为15kA。此时在0.95的置信水平下，其过载运行的可靠度单侧置信下限为0．9，可实现单次过载可靠工作。这为脉冲电容器的过载运行提供了重要的实验依据，为爆磁压缩激励电流源的紧凑化提供了一个有效的方法。

References)

［1］ 李小林，陈冬群，李达，等．MA量级小型螺线管爆磁压缩发生器［J］．强激光与粒子束，2010，22(10):2492－2496．LIXiaolin，CHEN Dongqun，LIDa，etal．Miniature MA-level helical explosively-driven magnetic flux compression generator［J］．High Power Laser and Particle Beams，2010，22(10):2492－2496．(in Chinese)

［2］ Shkuratov S I，Kristiansen M，Dickens J C，et al．High current testing of batteries［J］．IEEE Conference Publications，2001:1563－1566．

［3］ Sergey IS，Kristiansen M，Dickens JC，et al．High-current and high-voltage pulsed testing of resistors［J］． IEEE Transactions on Plasma Science，2000，28(5):1607－1614．

［4］ Shkuratov S I，Talantsev E F，Dickens JC，et al．Single shot overstressing of high voltage capacitors for compact arkadievmarx generator［J］．IEEE Conference Publications，2003:723－726．

［5］ NagaoM，Fukuma M，OhsachiN，等．聚丙烯薄膜在高温区的电击穿［J］．电力电容器，1986，1:80－83．Nagao M， Fukuma M， Ohsachi N， et al． Breakdown characteristic of polypropylene film in high temperature zone［J］．Power Capacitor，1986，1:80 －83．(in Chinese)

［6］ 曹亦兵．低阻无箔渡越辐射振荡器的研究［D］．长沙:国防科学技术大学，2008．CAO Yibing．Investigation of a foilless transit radiation oscillator with low-impedance［D］．Changsha:National University of Defense Technology，2008．(in Chinese)

［7］ 刘锡三．高功率脉冲技术［M］．北京:国防工业出版社，2005:346－348．LIU Xisan．High pulsed power technology［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2005:346 － 348．(in Chinese)

［8］ 张玉春，姚俊．小样本成败试验可靠性评估方法［J］．哈尔滨师范大学自然科学学报，2006，22(3):44－47．ZHANG Yuchun，YAO Jun．Reliability estimation methods based on experience information method［J］．Natural Sciences Journal of Harbin Normal University，2006，22(3):44－47．(in Chinese)

［9］ 王小林，郭波，程志君．基于维纳过程金属化膜电容器的可靠性评估［J］．火力与指挥控制，2012，37(7):6－9，13．WANG Xiaolin， GUO Bo， CHENG Zhijun， Reliability evaluation of metalized film capacitor based on Wiener process［J］．Fire Control＆ Command Control，2012，37(7):6 －9，13．(in Chinese)

［10］ 王小林，程志君，郭波．基于维纳过程金属化膜电容器的剩余寿命预测［J］．国防科技大学学报，2011，33(4):146－151．WANG Xiaolin，CHENG Zhijun，GUO Bo．Residual life forecasting of metalized film capacitor based on Wiener process［J］． Journal of National University of Defense Technology，2011，33(4):146－151．(in Chinese)