薄膜電容的種類和用途

“ 本篇介紹薄膜電容，主要參考TDK、Epcos和法拉等電容器廠商技術文檔。分五小節介紹 ：第一節介紹薄膜電容的種類和用途；第二小節簡單介紹薄膜電容的結構和生產加工工藝流程；第三小節為薄膜電容主要性能參數的變化特點；第四節介紹安規電容參數；第五小節介紹薄膜電容使用中需要關注的地方。”

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薄膜電容的種類和用途

圖1.薄膜電容器的分類

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）

聚丙烯（PP）

聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）

塑膠薄膜電介質的特性（典型數值）如下：

電力電子使用較多的是聚酯和聚丙烯電容，其特征分別如下

1） 聚酯電容/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）

聚酯電容（CL）是用兩片金屬箔作為電極，以聚酯（滌綸）作為介質。聚酯電容的介電常數較大，體積小，容量大，穩定性較好，適宜作為旁路電容。

電容量：40pF-04uF

額定電壓：63-630V

特點：精度、損耗角、絕緣電阻、溫度特性、可靠性及適應環境等指標都比電解電容和瓷片電容要好；小體積，大容量，耐熱耐濕，穩定性差。

應用：對穩定性和損耗要求不高的低頻電路。

2）聚丙烯電容（PP）

聚丙烯電容（CBB）其性能與聚苯乙烯電容相似，但體積小，穩定性略差。

電容量：10pF-10uF。

額定電壓：63-2000V。

特點：其性能與聚苯乙烯電容相似，但體積小，穩定性略差。

應用：用于要求較高的電路，適宜作為旁路電容使用。

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薄膜電容的結構和生產加工工藝流程

2.1 薄膜電容的結構

圖2.薄膜和金屬箔排列結構

圖3.不同電容器系列的薄膜和金屬箔排列結構

2.2 薄膜電容的生產工藝流程

1）卷繞工藝

是常規的生產工藝是將金屬化薄膜或薄膜/金屬箔卷繞成圓柱型芯子，然后使用絕緣套管或樹脂進 行封裝制成。

2）疊片式工藝

采用疊片生產工藝時，將金屬化薄膜卷繞在在直徑高達60厘米的圓盤上。通過定義明確的卷繞圈數 生產“主電容器”

圖4. 薄膜電容器的工藝

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影響薄膜濾波效果的模型參數

3.1 電容的電壓

1）電容的交流電壓與頻率的關系

當頻率升高到一定程度時，薄膜電容器允許施加的電壓將隨頻率的升高而降低。

2）電容的最大直流電壓與溫度的關系

最大允許直流電壓vs. 溫度如下

3.2 電容量

1）電容量與溫度的關系

電容容值在上限類別溫度與下限類別溫度之間的溫度范圍內會發生可逆變化。電容值/溫度曲線的 斜率由電容的溫度系數給出，該系數被定義為T1到T2溫度范圍內，相對于(20±2) °C下測得電容值的 平均電容變化。該系數以單位10-6/K表示。

溫度系數本質上是由電介質的特性、電容器結構和制造參數決定的。聚丙烯電容器具有負溫度系 數，聚酯電容器具有正溫度系數。

電容容值隨溫度的可逆變化通常表示為ΔC/C。各種電容器型號的典型溫度特性如下

2）電容量與濕度的變化

塑膠薄膜電容器的容值會隨著環境濕度的變化產生可逆的變化。對于不同的電容結構設計，薄膜介 質狀態以及薄膜間的氣隙狀態都會隨環境濕度的變化而變化，從而影響容值大小。

濕度系數βc被定義為濕度變化1%時（恒定溫度下）測定的相對電容變化。

表中給出的βc值在相對濕度50%到95%范圍內有效。相對濕度低于30%時，濕度系數相對較低。相 對濕度高于85%時，電容容值的變化會比較大。

下圖顯示了各種電容器型號的典型電容/濕度特性。

3）電容隨頻率的變化

對于聚丙烯電容器（PP - MKP，MFP），在1MHz范圍內電容值幾乎不受頻率影響。但是對于聚酯電容器（PET - MKT），特別是PEN電容器（聚萘二甲酸乙二醇酯，MKN），頻率對 電容容值的影響非常明顯：

4）電容隨時間的變化

除了上述變化外，電容器的電容容值還會隨時間出現不可逆的變化，定義為容值偏移i z = |ΔC/C|。電容容值的偏移給出最高溫度40 °C，兩年的時間內，電容容值最大的變化率（參見下表）。這里 不考慮溫度變化（βc）和相對濕度變化（αc）的影響。

電容容值的偏移會隨著時間推移逐漸穩定，從而保證電容的長期穩定性。然而，如果電容器在上限 類別溫度附近頻繁出現大幅度的溫度和濕度變化，則電容容值的偏移有可能會超過規范值。

3.3 阻抗，諧振頻率

阻抗Z代表元件對電流的阻礙作用，是元器件的自然屬性因此，它對交流應用和紋波電流能力特別重要

薄膜電容器的典型阻抗特性如下：

在低頻段下，容抗（電容性電抗）XC = 1/2πf · C占優勢，而在非常高的頻率下，感抗（感應電抗） XL = 2πf · LS占優勢。當容抗與感抗相等時，發生自然諧振。此時容抗與感抗互相抵消，阻抗等于 ESR。因此，自然諧振頻率可由下式給出：

3.4 損耗因數

1）損耗因素與頻率的關系

2）損耗因數隨溫度、濕度和電壓的變化

3.5 脈沖承受能力

具有快速電壓變化的電壓脈沖將導致電容器中出現強峰值電流快速變化的電壓脈沖會在電容器中產 生很高的脈沖電流。這些電流在噴鍍金屬與薄膜金屬鍍層的接觸區域會生成熱量。熱量足夠大時會 損壞這些區域，因此需要限制施加在特定電容器上的脈沖。

脈沖電壓變化率dV/dt

如果峰值電流ip只和單個電壓脈沖有關，那么脈沖電壓的最大變化率可表示為：dV/dt=ip/c

dV/dt的最大值在電容器的規格書中給出。單位為V/μs。

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抑制電源電磁干擾用電容器

當在電源跨線電路中使用電容器來消除噪音時，不僅僅只有正常電壓，還會有異常脈沖電壓（如閃電）發生，這可能會導致電容器冒煙或者起火。所以，跨線電容器其安全標準在不同國家有嚴格規定。請使用經過安全認證型電容器。不允許將直流電容器用作跨線電容器。

4.1 X 類抑制電源電磁干擾用電容器

適用于在電容器失效時不會導致電擊危險的場合,分為 X1，X2 二個類別(參見下表)。

4.2 Y 類抑制電源電磁干擾用電容器

適用于在電容器失效時會導致電擊危險的場合，分為 Y1，Y2，Y4 等三個類別(參見下表)。

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使用中的可靠性需要關注的地方

可靠應用關注點：

1）工作電壓狀態

薄膜電容器的選用取決于施加的最高電壓，并受施加的電壓波形、電流波形、頻率、環境溫度（電容器表面溫 度）、電容量等因數的影響。使用前請先檢查電容器兩端的電壓波形、電流波形和頻率（在高頻場合，允許電壓隨 著電容器類型的不同而改變，詳細資料請參閱說明書）是否在額定值內。

2）工作電流

通過電容器的脈沖（或交流）電流等于電容量 C 與電壓上升速率的乘積，即 I=C×dV/dt。

由于電容器存在損耗，在高頻或高脈沖條件下使用時， 通過電容器的脈沖（或交流）電流會使電容器自身發熱而有溫升，將會有熱擊穿（冒煙、起火）的危險。因此，電容器安全使用條件不僅受額定電壓（或類別電壓）的限制，而且受額定電流的限制。

工作電流被認為是由擊穿模式決定的脈沖電流（峰值 電流，即由 dV/dt 指標所限制的）和連續電流（以峰峰值或 有效值表示）組成，當使用時，需確認這兩個電流都在允許范圍之內。