电压反峰对脉冲电容器寿命特性的影响
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第２６卷第４期强激光
与粒子束
Ｖ０１．２６，Ｎｏ．４
２０１４年４月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲ
ＬＡＳＥＲＡＮＤ
ＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ａｐｒ．，２０１４
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝一
电压反峰对脉冲电容器寿命特性的影响＋
王博闻１，李化１，赖厚川２，
林福昌１，李智威１，刘德ｊ，李浩原１，张钦，
（１．强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉４３００７４；２．西南技术物理研究所，成都６１００４１）
摘要：
以金属化聚丙烯膜电容器电压反峰为研究对象，探讨了脉冲电流对电容器寿命的影响机制，通
过对电容器在不同电压反峰系数下进行寿命测试，研究了电压反峰系数与电容器寿命之间的关系。研究结果
表明：当电压反峰系数在１０％～６５％时，电容器寿命成指数下降。基于试验结果，通过统计分析的方法，拟合
出寿命随电压反峰系数变化的经验公式，可以用来预测不同反峰系数下金属化聚丙烯膜电容器的寿命特性。
关键词：金属化聚丙烯膜电容器；电压反峰系数；电容器寿命
中图分类号：ＴＭ５３３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０４５０１７
金属化聚丙烯膜电容器由于采用了蒸镀电极工艺，具有自愈性能，提高了聚丙烯膜的工作场强和高场强下
电容器的可靠性，因此金属化聚丙烯膜电容器具有储能密度高、寿命长等特点。此外，由于聚丙烯高能效、低损
耗等特性使得金属化聚丙烯膜电容器在脉冲功率系统中得到广泛应用［１］。随着应用需求的发展，脉冲功率系
统对脉冲电容器的储能密度、通流能力和在特殊环境下的应用性能都提出更高的要求。在脉冲放电应用中，感
性负载会使能量在电容器与电感之间交换，出现振荡过程，使得电容器上出现反峰电压和反峰电流，电压和电
流的反峰系数保持一致。过大的反峰会缩短电容器的寿命。Ｓａｒｊｅａｎｔ指出放电电压反峰系数在ｏ～２０％内时，
反峰系数对电容器的性能影响不大，但当反峰系数达到５０％以上时，电容器的寿命会急剧下降旧ｊ。对于高储
能密度电容器，电压反峰对电容器寿命的影响是需要研究的问题。本文通过脉冲放电实验研究电压反峰对电
容器寿命的影响，并通过对实验结果的统计与理论分析得出电容器寿命随电压反峰系数变化的经验公式。
１脉冲电流对电容器寿命的影响机理
典型的脉冲放电波形如图１所示，其中“。（￡）为电压波形，ｉ如
（￡）为脉冲放电电流波形。反峰系数定义为
口一Ｉ【，。／ＵｏＩ—ｌＪ，／ｊ…ｌ（１）
式中：ｕ。为充电电压峰值；Ｊ。。。为正向电流峰值；Ｕ。与Ｊ，为反向电喜
压与反向电流的峰值。
１．１电压
在高电场作用下，电介质中固有的“慢极化”机制［１］，如：与电
荷注入和离子电导有关的界面极化不会随着外加电场的转向而
立即改变，如图２所示。脉冲振荡放电过程中，当电容器两端出
现反向的电压时，电容器外部的反向电场与剩余极化电场相互叠
加，电介质中场强增大。过大的电场导致电介质发生击穿、局部
放电、树枝放电、自愈增加或其他劣化现象，影响电容器的寿命。Ｆｉｇ．１Ｔｙｐｉｃａｌｐｕｌｓｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｓ
图１典型的脉冲放电波形
文献［３］给出了在一定条件下金属化聚丙烯膜电容器在不同反峰系数下的经验公式
击。ｃ［嬲］２
㈤ｉ∞ｌ面Ｊ
“’
式中：Ｌ为电容器寿命；卢为反峰系数；Ａ为实验中所得经验值，Ｌ。与肺为实验中的参考值。式（２）可以预测不同反
峰系数下的电容器寿命。
＊收稿日期：２０１３—０９—１２；修订日期：２０１３—１０—２８
基金项目：国家自然科学基金项目（５１３７７０７０）
作者简介：王博闻（１９８９一），男，硕士研究生，主要从事脉冲功率和高电压新技术电源研究工作；ｈｏｗｅｎ＿ｗｍ＠１６３．ｃｏｍ。
通信作者：李化（１９７９一），女，博士，副教授，主要从事高电压新技术和脉冲功率技术方面的研究；ｌｅｅｈｕａ＠ｍａｉｌ．ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
０４５０１７—１
万方数据强激光与粒子束
１．２热量
脉冲放电电流流过电容器时，电容器金属化电极上产生焦耳
热，此热量会经过介质传递导致薄膜介质发热，电容器内部整体
温度升高，薄膜介质劣化，击穿场强下降，自愈增多，寿命下降［１］。
此外当温升过高时，聚丙烯膜会相应地出现收缩现象，导致
端部接触不良，接触电阻增大，介损上升，并进一步导致产热量增
加，这种循环过程最终使得电容器失效［４＿５｜。当脉冲持续时间远
小于电容器散热时间时（聚丙烯膜的热量扩散系数ａ，，＝１．２×
１０－７ｍ２／ｓ，金属铝的热量扩散系数ａＡｌ一８．６１×１０．５ｍ２／ｓ），脉
冲放电过程可以认为是一个绝热过程。单次充电／放电周期内电
容器内的产热量由电流在时间上的积分与等效串联电阻的乘积
确定，即ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｌｍｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｌｍ
（ａ）“ｓｌｏｗ”ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ（ｂ）“ｓｌｏｗ”ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
ｕｎｄｅｒ
ｐｏｓｉｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃｕｎｄｅｒｒｅｖｅｒｓａｌｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｆｉｅｌｄｆｉｅｌｄ
Ｆｉｇ．２Ｅｆｆｅｃｔｏｆ
ｖｏｌｔａｇｅｒｅｖｅｒｓａｌ
ｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｓ
图２电压反转对电场的影响
Ｗ。。＝［ＩＪ（￡）２ｄｔ］ＲＥＳ
式中：Ｊ（ｆ）为放电电流随时间变化的函数；Ｒ酷为电容器等效串联电阻。
在ＲＬＣ脉冲放电电路中，电容器的能量全部消耗在电阻上，可以得到
ｎ扩出＝髻
式中：Ｒ为放电电路中的总电阻（回路放电电阻Ｒｔ与电容器等效串联电阻ＲＥＳ的和）。
所占的比例即为Ｒ既占总电阻的比例，即
ｗ。ｐ
ＲＥｓ
可一百
式中：ｗ为回路总消耗能。（３）
（４）
电容器内部消耗的能量
（５）
２实验
对于工作在高场强下的金属化聚丙烯膜电容器，自愈同时伴随电极面积损失，使得电容器电容量不断下
降。当电容量下降超过５％时，电容器的性能不再可靠，每次充放电造成的电容量损失会大幅增加，因此常以
电容量下降达到初始电容量的５％时的充放电次数作为金属化聚丙烯膜电容器的工作寿命［６－７。。对于特定结
构的电容器，其寿命随储能密度的提高而减小。可以这么说一定的储能密度下，电容器寿命的提高程度代表了
脉冲电容器技术的发展水平［８］。
寿命测试回路如图３所示。图中电容Ｃ充至预设电压值Ｕ。后，晶闸管Ｔ导通，电容器对电阻Ｒ，和电感Ｌ，
放电，电压反转时，反向电流经过二极管Ｄ续流。晶闸管的触发信号
能提供多次连续触发，保证电容器放电能够持续到电压幅值衰减为可
忽略值。
以一批电容量为４５肛Ｆ的金属化聚丙烯膜电容器元件进行充放
电寿命测试。在充电电压为５．７ｋＶ下，调节负载电阻与电感，使得测
试反峰系数分别为９．４％，２２％，３０％，５７％，６５％。实验中电容器充放
电时间设置为：充电时间１０
Ｓ，电压保持时间为１Ｓ，重复充放电间隔
时间１
Ｓ。每个实验参数下取１０个样品测试。实验过程中，回路的放
电电阻保持一致（Ｒｒ一１．８
１２），以保证不同反峰系数下电容器发热量
一致。Ｆｉｇ．３Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒ１ｉｆｅｔｉｍｅｔｅｓｔ
图３寿命测试实验电路
３实验结果与分析
图４为实验中放电电流的波形图。各个反峰下的寿命平均值如图５所示，图中黑点为寿命平均值，曲线为
拟合曲线，圆圈为各个实验数据。具体实验数据如表１所示。如图４所示，不同反峰作用下，放电电流最大脉
宽为４．５ｍｓ，远小于充放电间隔时间１
ｓ，因此连续充放电的热量不会积累，电容器的发热为单次充放电中产
万方数据王博闻等：电压反峰对脉冲电容器寿命特性的影响
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热。从表１的数据可以发现，金属化聚丙烯膜电容器在不同反峰作用下ｉｚ￡（电流在时间上的积分）几乎保持一
致，因此热量因素可以忽略。
以卢２６５％的测试结果为寿命数据基值（反峰ｆｌｏ＝６５％，电容器平均寿命Ｌ。＝１１４５），根据文献［３］的经验
公式，拟合反峰系数与寿命的关系为
Ｆｉｇ．４Ｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｗｉｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｖｅｒｓａｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
图４不同反峰系数的放电电流波形
拟合曲线如图５所示，此公式表明在反峰系数达到１００％时，电
容器寿命降至０。但实际在交流低场强下电容器寿命不可能突降至
０。本文中不同反峰下电容器的发热量保持一致，因此反峰系数对于
电容器的影响机理表现为反向电压与剩余极化电场相叠加而导致电
容器介质薄膜承受过高场强，电容器寿命下降。以此为据，建立如下
寿命预测公式
击。ｃ（劳等）６
㈣Ｆｉｇ・５Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｖｅｒｓａｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｏｎｌｉｆｅｔｉｍｅｏｆ
ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ
图５反峰系数对于电容器寿命的影响
表１实验数据
Ｔａｂｌｅ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ（６）
式中：Ｖ为电容器充电电压；６为实验中拟合系数，在此６＝２．７；忌与
愚。分别为反峰系数为卢和岛时，介质内部剩余极化场强与施加场强的比值，在此其值与电容器介质内部的剩
余极化强度有关，通过试验难以精确确定，暂设为１。
Ｓｍｉｔｈ指出电容器介质的击穿场强受所加电压的影响显著‘３｜。金属化聚丙烯膜电容器的寿命与所加的电
压关系为
ｉＬ。ｃ（等）４㈣
式中：Ｖ。是电压参考值；ａ为实验中拟合系数，Ｓｍｉｔｈ的寿
命测试中口一７．５嘲。综合考虑电压与反峰的作用，可以得
。
到不同电压峰值和不同电压反峰下金属化聚丙烯膜电容器
寿命的经验公式
ｉＬｏｃ（軎）８（糟）６
㈣
式（９）可以预测不同电压和反峰系数下金属化聚丙烯膜电
容器的寿命。根据已有的结论，参考式（７）与（８）中系数，式
（９）可以表示为
击。ｅ（”５（嚅苷）２～㈣，Ｖｉ、
Ｆｉｇ．６Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｖｅｒｓａｌ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ａｎｄ
ｖｏｌｔａｇｅｏｎｌｉｆｅｔｉｍｅｏｆ
ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ
图６反峰系数与电压对于电容器寿命的影响
根据式（１０），以实验中卢＝６５％的测试结果为寿命数据基值，可以得到不同电压与反峰系数下电容器寿命
的变化趋势，如图６所示，可以看出，电容器的寿命随着电压与反峰系数的增加呈指数下降。
万方数据
