c820A研制总结报告.doc

电子元器件新品科研项目C820A型固体高压脉冲电容器研制总结报告拟 制： 校 对： 审 核： 标 检： 批 准： 成都宏明电子股份有限公司（国营第七一五厂）2011年7月15日C820A型固体高压脉冲电容器研制总结报告1 概述1.1 任务来源C820A型固体高压脉冲电容器是我厂为替代C820型固体高压脉冲电容器而研制开发的新品，项目的技术指标完全覆盖原C820型固体高压脉冲电容器。研制周期为2010年6月30日至2011年11月30日。1.2 主要技术指标及产品外形尺寸1.2.1标称电容量：0.33F。1.2.2 电容量允许偏差：+20 -5%。1.2.3 额定工作电压：8kV。1.2.4 介质耐电压：12kV。1.2.5 损耗角正切值（25）：0.5%。1.2.6 绝缘电阻（25）：10000 M。1.2.7 漏电流：5A。1.2.8 外形尺寸（见图1，表1）LBTHA图1 外形图表1 外形尺寸型号尺寸（mm）LTH引线长度A引线宽度BC820A86.23645.52050.2C821A3926424030.21.3 使用环境要求与其他特殊要求1.3.1工作温度范围-5570。1.3.2放电峰值电流8000A。1.3.3 充放电寿命 2500次。1.4 研制进度执行情况2011年6月提供10只样品给九院五所，2011年7月用户反馈样品满足整机要求。2011年6月详细规范通过九院五所确认，并提交产品鉴定，2011年7月鉴定试验合格，并取得鉴定试验报告。2 设计与方案确定2.1 设计2.1.1 设计依据完全覆盖原C820型固体高压脉冲电容器的技术指标。2.1.2 设计原理2.1.2.1电容器电极有效长度LCS/d=Lb/d LCd/bL电极有效长度C电容量d介质厚度介质介电常数b电极有效宽度电容器电极有效长度L与电容量C和介质厚度d的乘积成正比，与介质介电常数和电极有效宽度b成反比。在通用的有机薄膜材料中聚丙烯的介质介电常数（2.2）相对较小，有利于电容器达到较大的电极有效长度L。在产品长度（材料宽度）一定，介质抗电强度一致的条件下，内串结构的电容量C和介质厚度d的乘积不变，电极有效宽度b减小1倍（两串），电极有效长度L增加1倍。2.1.2.2 电容器承受放电峰值电流Ip的能力IpLdSL电极有效长度d电极厚度S电极与过渡连接层（端头喷金层或涂覆层）接触面积有机薄膜电容器的电极有箔式（铝箔）电极、双面金属化电极、金属化（单面）电极三种形式。假设金属化（单面）电极的S为1，三种形式电极的比较见表2：表2 三种形式电极的比较电极形式dSdS箔式（铝箔）电极5m210双面金属化电极0.1m20.2金属化（单面）电极0.05m10.05根据表1的比较数据，相同电极有效长度L的电容器，金属化（单面）电极结构的电容器承受放电峰值电流Ip的能力最差，为双面金属化电极的1/4，箔式（铝箔）电极的1/200。但是，双面金属化电极和箔式（铝箔）电极对电容器小型化非常不利，不能满足本项目的体积要求。2.1.2.3 提高金属化（单面）电极结构的电容器承受放电峰值电流Ip的能力的途径2.1.2.3.1 波浪分切W1W2 波浪分切见图2：L图2 波浪分切示意图 常规的直线分切电极与过渡连接层（端头喷金层或涂覆层）接触面积S：S=LW1 波浪分切电极与过渡连接层（端头喷金层或涂覆层）接触面积S：S=LW1+ LW2 波浪分切电极与过渡连接层（端头喷金层或涂覆层）接触面积S与常规的直线分切电极与过渡连接层（端头喷金层或涂覆层）接触面积S相比增加了LW2。2.1.2.3.2 边缘加厚边缘加厚见图3：d2d1图3 边缘加厚示意图常规金属化（单面）电极的d= d1。边缘加厚金属化（单面）电极的d= d1+ d2。边缘加厚金属化（单面）电极的d与常规金属化（单面）电极的d相比增加了 d2。2.1.3 结构设计2.1.3.1 电容器芯子内部结构 电容器采用两只芯子外串，每只电容器芯子为4内串结构，采用（67）m（3539.5）（2.53）的波浪分切锌铝加厚边金属化聚丙烯薄膜和（67）m（3337.5）2的锌铝金属化聚丙烯薄膜无感卷绕（见图4），电极有效长度L63.5m。 图4 芯子内部结构示意图2.1.3.2 电容器芯子外形尺寸（见图5）40.5 40 32.5图5 芯子外形尺寸图2.1.3.3 芯组连接（见图6）图6 芯组连接图2.1.3.4 引出端（0.20.3）mm镀锡铜带，轴向引出。2.1.3.5 外部结构塑料外壳树脂灌封。2.1.4 可靠性设计2.1.4.1 材料选用采用通用有机薄膜材料聚丙烯作介质，采用德国创斯普公司和日本东丽公司等国际最高水平的聚丙烯薄膜作基膜，金属化由国际最高水平的德国史泰拿公司加工，保证材料的品质和一致性。2.1.4.2 介质材料工作场强选取金属化聚丙烯薄膜的场强400V/m，本电容器的金属化聚丙烯薄膜的工作场强为167V/m，工作场强降额超过50%，符合工作场强设计原则。2.1.4.3 工艺设计本电容器生产工艺采用我厂成熟的有机薄膜电容器工艺，引出端焊接采用点焊工艺，保证引出端焊接过程中电容器芯子端头不被烫伤。2.1.4.4 引出端（片）设计引出端（片）设计为叉口形式（见图7），两个焊接连接，保证焊接连接的可靠性。图7 引出端（片）2.2 方案验证本方案工作场强167V/m，线电流密度126A/m（8000A/63.5m），与之前研制完成的C447型高压小型储能电容器的工作场强187V/m，线电流密度150A/m比较，其工作场强和线电流密度均低于之前的成功设计；本方案能满足项目研制目标。2.3方案的先进性、正确性、实施的可行性本方案采用金属化聚丙烯薄膜内串结构，增加了电极有效长度，波浪分切电极和边缘加厚金属化（单面）电极的设计均为提高电容器承受放电峰值电流Ip的能力的有效方法；实现了电容器的小型化和承受大放电峰值电流Ip能力，具有正确性和先进性。本方案采用通用有机薄膜材料聚丙烯作介质，采用我厂成熟的有机薄膜电容器工艺，具备实施的可行性。3 研制过程3.1 研制过程中的问题3.1.1 耐压问题 在研制初期采用4个芯子结构，两并再串联，12kV耐压不合格率50%。3.1.2 充放电寿命问题 在研制初期采用通用的有机电容器生产工艺生产的样品，充放电5001000次之间，放电电流明显下降。3.2 出现问题的原因3.2.1 耐压问题的原因环氧树脂应力环氧树脂应力 图8 环氧树脂盈利影响示意图 由于本产品的外壳长边刚性差，对环氧树脂基本无拉力，环氧树脂的收缩应力主要集中在垂直于外壳长边方向，而电容器芯子的压扁面与外壳长边垂直，电容器芯子主要承受环氧树脂的收缩应力如图8所示。这种平行于电容器芯子的压扁面应力导致电容器芯子变松，使高压电容器耐压不合格。3.2.2 充放电寿命问题的原因未喷到的部分喷到的部分图9 端面喷金示意图 由于包裹的保护遮掩带倒边，使电容器芯子端面存在未喷到的部分（如图9所示）。一个电容器芯子可以细分为无数个电容单元，每个电容单元的放电电流都是沿着电阻最小的路径流过；未喷到的部分的n个电容单元的放电电流从相邻的喷到的部分流过，导致与其相邻的喷到的部分电流密度过大，烧毁与其相邻的电极层与喷金连接的边缘，形成新的未与喷金层直接连接的n个电容单元，由于未与喷金层直接连接的电容单元增加，与之相邻的与喷金层直接连接部分电流密度更加过大，如此恶性循环，使电极边缘加速烧毁，导致电容器电容量急剧下降、损耗剧增、放电电流明显下降。3.3 解决措施3.3.1 耐压问题的解决措施 改变电容器内部结构，采用两个芯子串联结构如图6所示连接，使电容器芯子压扁面垂直方向承受环氧树脂的收缩应力，受环氧树脂的收缩应力不仅不会使芯子变松，反而芯子变紧。3.3.1 充放电寿命问题的解决措施采用专用的夹具，解决了遮掩带倒边导致的电容器芯子端面存在未喷到的部分，同时避免了电容器芯子在热处理后至喷金过程中的人员与芯子接触，杜绝了电容器芯子污染导致的喷金连接弱点。3.3 解决措施效果验证按所采取的措施投入产品生产，灌注后的成品199只，耐压不合格品6只，耐压不合格率3.01%，与之前的50%耐压不合格率相比，所采取的措施效果明显。抽取4只电容器进行充放电寿命试验，试验条件：8kV，8.4kA，2500次，6s/次；试验结果合格，试验数据见表3。表3 充放电试验数据序号试验前试验后 C/C%结果CFtgCFtgRM10.339760.00060.339440.00062105-0.1合格20.337620.00060.336570.00062105-0.31合格30.338180.00060.337340.00072105-0.25合格40.332760.00060.332320.00052105-0.13合格3.4 工艺流程图（见图10）卷绕检压扁、热处理喷金清理喷金毛刺检电压老炼测量配组焊接检喷 涂灌注检成品测量打标志检包装检入库关键工序 特殊工序图10 工艺流程图3.4.1 关键工艺点和质控点设置情况 根据本产品的特点和我厂生产工艺情况，确定了三个关键工艺点，分别为卷绕、喷金和焊接；设置了三个质控点，分别设置在卷绕、喷金和灌注工序。3.5 提交鉴定试验 2011年6月，以随机抽样从定型批样品中抽取样本8只样品提交鉴定检验机构。3.6 固化文件图纸及归档情况2011年7月，根据实施方案及样品试制情况固化了工序流转卡、工艺文件、设计图纸，并于2011年7月上述文件归档。4 技术难点、解决措施和关键工艺技术4.1技术难点本项目主要技术难点是电压高，放电电流大；高压电容器的灌注环氧树脂应力对耐压的影响大，在体积确定的前提下，电容器电极有效长度L有限，导致电容器线电流密度增加，限制了电容器承受放电峰值电流Ip的能力。4.2解决措施4.2.1 结构设计 采用两个芯子串联结构如图6所示连接，使电容器芯子压扁面垂直方向承受环氧树脂的收缩应力，受环氧树脂的收缩应力不仅不会使芯子变松，反而芯子变紧，减小了环氧树脂应力对耐压的影响。采用内串结构增加电极有效长度L，采用波浪分切和边缘加厚金属化电极结构提高电极与端头喷金层接触面积S和电极厚度d。4.2.2 工艺措施采用火焰喷金工艺技术抑制喷射金属颗粒氧化，减小端头喷金层与内电极的接触电阻，提高电容器承受放电峰值电流Ip的能力。采用点焊焊接工艺技术保证引出端焊接过程中电容器芯子端头不被烫伤，确保电容器承受放电峰值电流Ip的能力不被降低。4.3关键工艺技术4.3.1 火焰喷金工艺技术 绝大多数生产厂家采用的电喷喷金工艺技术难以解决喷射金属颗粒氧化的问题，在通用的交直流电容器方面不至于影响电容器的使用，但承受不了大电流脉冲电容器放电峰值电流Ip的冲击；火焰喷金工艺技术中的燃烧气氛抑制喷射金属颗粒氧化减小端头喷金层与内电极的接触电阻，提高电容器承受放电峰值电流Ip的能力。4.3.2 点焊焊接工艺技术 电容器引出片所采用的传统电烙铁焊接工艺技术在焊接时间、温度方面很难控制，本电容器所采用的聚丙烯薄膜容易被焊接引出片时的高温所伤，破坏电极与端头喷金层的连接，降低电容器承受放电峰值电流Ip的能力；点焊焊接工艺技术通过瞬间局部发热避免了引出端焊接过程中电容器芯子端头被烫伤的问题，确保电容器承受放电峰值电流Ip的能力不被降低。5新品的特点和创新点5.1新品的特点和创新点 本电容器具有体积小，漏电流小、dV/dt高的特点。本电容器采用波浪分切锌铝加厚边金属化电极作大电流脉冲使用，走在金属化电极作大电流脉冲电容器的前沿，为金属化电极作大电流脉冲电容器使用拓展了空间。5.2新品主要技术指标实测结果与C820型固体高压电容器指标对比情况本电容器主要技术指标实测结果与C820型固体高压电容器指标对比见表4：表4 主要技术指标实测结果与C820型固体高压电容器指标对比序号技术指标项目本产品指标C820指标实测结果1标称电容量0.33F0.33F/2电容量允许偏差+20 -5%+20 -5%+2%3额定电压8kV8kV/4损耗角正切0.0050.0050.00055介质耐电压12kV12kV/6绝缘电阻10000M10000M200000M7漏电流5A5A0.1A8放电电流8kA8kA5%/9充放电寿命2500次2500次/10工作温度-5570-5570/11外型尺寸：长宽高86.23645.586.23645.5/12随机振动0.2g2/Hz0.02 g2/Hz13温度冲击5次循环3次循环14冲击120g75g15充放电寿命试验连续每500次休息0.5h1h本电容器主要技术指标高于C820型固体高压电容器指标，可以完全覆盖C820型固体高压电容器。6 质量和可靠性6.1 设计情况采用通用有机薄膜材料聚丙烯作介质，采用德国创斯普公司和日本东丽公司等国际最高水平的聚丙烯薄膜作基膜，金属化由国际最高水平的德国史泰拿公司和国内的合格供应商加工，保证材料的品质和一致性。金属化聚丙烯薄膜的场强400V/m，本电容器的金属化聚丙烯薄膜的工作场强为167V/m，工作场强降额超过50%，符合工作场强设计原则。本电容器生产工艺采用我厂成熟的有机薄膜电容器工艺，引出端焊接采用点焊工艺，保证引出端焊接过程中电容器芯子端头不被烫伤。引出端（片）设计为叉口形式，两个焊接连接，保证焊接连接的可靠性