有机金属薄膜电容器最大的优点是具有自愈能力,这使得这类电容器成为当今增长最快的电容器之一。
金属化薄膜电容器的自愈机制有两种:一种是放电自愈,另一种是电化学自愈。前者发生在较高电压下,因此也称为高压自愈;后者在极低电压下也能发生,因此通常称为低压自愈。
排毒自愈
为了说明放电自愈机制,假设两个金属化电极之间的有机薄膜中存在一个电阻为R的缺陷。根据缺陷的性质,它可能是金属缺陷、半导体缺陷或绝缘不良缺陷。显然,当缺陷属于前者时,电容器会在低电压下放电。只有在后一种情况下,所谓的高压放电才会发生自愈。
放电自愈过程是指,在金属化薄膜电容器上施加电压V后,立即有欧姆电流I=V/R流过缺陷。因此,电流密度J=V/Rπr²流过金属化电极,即距离缺陷越近(r越小),金属化电极内的电流密度越高。由于缺陷产生的焦耳热会消耗功率W=(V²/R)r,导致半导体或绝缘缺陷的电阻R呈指数级下降。因此,电流I和功率消耗W迅速增加,使得金属化电极非常靠近缺陷的区域电流密度J₁=J=V/πr₁²急剧上升,其焦耳热可以熔化该区域的金属化层,导致电极间产生电弧。电弧迅速蒸发并抛射熔融金属,形成无金属层的绝缘隔离区。电弧熄灭,实现自愈。
由于放电自愈过程中产生的焦耳热和电弧,缺陷周围的介质和介质表面的绝缘隔离区域不可避免地会受到热损伤和电损伤,从而发生化学分解、气化和碳化,甚至机械损伤。
综上所述,为了实现理想的放电自愈,必须确保缺陷周围具有合适的局部环境。因此,需要优化金属化有机薄膜电容器的设计,以实现缺陷周围合理的介质、合适的金属化层厚度、良好的密封环境以及合适的核心电压和容量。所谓理想的放电自愈是指:自愈时间极短、自愈能量小、缺陷隔离性好、不损伤周围介质。为了实现良好的自愈性能,有机薄膜分子应具有较低的碳氢原子比和适量的氧原子,这样,当自愈放电过程中薄膜分子发生分解时,不会产生碳,也不会发生碳沉积,从而避免形成新的导电通路,而是产生CO₂、CO、CH₄、C₂H₂等气体,通过气体浓度的急剧上升来熄灭电弧。
为了确保缺陷周围的介质在自愈过程中不受损伤,自愈能量不宜过大也不宜过小,以便去除缺陷周围的金属化层,形成绝缘(高阻)区,从而隔离缺陷,实现自愈。显然,所需的自愈能量与金属化层的金属种类、厚度和环境密切相关。因此,为了降低自愈能量并获得良好的自愈效果,通常采用低熔点金属对有机薄膜进行金属化。此外,金属化层厚度不宜不均匀,尤其要避免划痕,否则绝缘隔离区会呈分支状,无法实现良好的自愈效果。CRE电容器均采用常规薄膜,同时严格把控进货检验管理,从源头阻断不合格薄膜,从而充分保证电容器薄膜的质量。
除了放电自愈之外,还有另一种自愈机制,即电化学自愈。我们将在下一篇文章中讨论这种机制。
发布时间:2022年2月18日
