CN101465207B - 低电感电容器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜电容器(90)，包括被分段、图案化并被构造为仅在被卷起或叠层的薄膜电容器的一个表面提供连接(100)，(102)的金属化部分(93)，(96)。

Description

低电感电容器及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及电容器，更具体地涉及一种低电感电容器结构及其制造方法。
背景技术
薄膜电容器一般采用在该电容器外壳/结构相对侧面上的电极端子。该结构表现出高电感性和电阻性，其可能降低电容性的效果，特别是当其用于电力电子电路中，在该电路中不期望的电感性能够产生电压过冲和电噪声。对具有更高的半导体开关频率的新电力电子设计的需求要求对母线和/或电容器的非常紧密的连接。新的需求还要求电容器在更高的纹波电流频率上运行并负载更大的电流。
上述挑战转化为对相比传统的电容器改进了的电子性能的需求，以提供更低的等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)。高ESR可能增加该电容器的自热并且降低其工作寿命预期。高ESL可能降低该电容器的自谐振频率并产生与快速电流变化相关的振铃振荡。
尽管已经进行了很多工作以改善电容器的电介质，外壳的设计已经滞后了，其中通过其它手段改进电容器的ESR和ESL能够比在电容器的电介质和导线上进行改进产生更为显著的效果。
在很多端子在外壳同一侧的现有圆柱形电容器中连接通过在相对侧端子上焊接母线并使导体母线围绕该电容器外壳以形成在电容器同一侧的连接来实现。这种技术使得电容器显得具有在同一侧的端子，但是从电子方面看，使之围绕外壳的该连接形成了一个连接的回路，对系统的连接增加了整个电容器的电感。进一步地，在现有电容器中，每个电极的金属化部分是连续的；因此由于通过电容器的高频内部电流产生的磁通量，涡电流可能产生于电容器内，造成自热效应并增加了总体的ESR。
近来，位于靠近电容器的位置上并产生磁场的外部回路已经被建议并具有某些成功之处。然而，这种概念受到局限，因为在该外部回路和电容器ESL之间的连接是受限的，因而限制了它的效果。
考虑到上面的内容，因此需要以下电容器结构：相比公知的电容器结构，该电容器结构具有在电容器相同一侧的连接，同时达到非常低的互连电感，较低的自热，更宽的频率响应和更低的ESR。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种薄膜电容器，包括被分段、图案化并构造为只在被卷起或叠层的薄膜电容器的一个边缘提供互连的金属化部分。
根据另一方面，一种制造薄膜电容器的方法，包括：图案化第一金属化薄膜电极组和第二金属化薄膜电极组以形成公共电介质结构；且卷起该公共电介质结构以便使该第一金属化薄膜电极组和该第二金属化薄膜电极组一起形成一被分段并图案化的金属化薄膜电容器，该电容器只在电容器的圆形末端的一面具有互连。
根据另一方面，一种制造薄膜电容器的方法，包括：图案化第一金属化薄膜电极组和第二金属化薄膜电极组以形成公共电介质结构；卷起该公共电介质结构以便使该第一金属化薄膜电极组和该第二金属化薄膜电极组一起形成一卷被分段并图案化的金属化薄膜；从该卷被分段并图案化的金属化薄膜中切割期望的数量的部分；以及层叠该期望数量的部分以形成叠层的金属化薄膜电容器，其仅在该叠层的一个边缘具有互连。
根据另一方面，一种制作薄膜电容器的方法，包括：图案化至少一个第一金属化薄膜电极；图案化至少一个第二金属化薄膜电极；以及层叠该至少一个第一金属化薄膜电极和该至少一个第二金属化薄膜电极以便使该至少一个第一金属化薄膜电极和该至少一个第二金属化薄膜电极一起形成叠层的金属化薄膜电容器，其仅在该叠层的一个边缘具有互连。
附图说明
当参照附图阅读下面的具体描述时，本发明的这些和其它特征，方面和改进将更加易于理解，在这些附图中类似的符号代表类似的部件，其中：
图1图解说明第一电极组的顶端的俯视图和第二电极组的底端的俯视图，共同形成适合卷在下起以形成根据本发明的一个方面的圆柱形电容器的复合结构；
图2是图解说明使用图1中所示的第一和第二电极组的圆柱形电容器结构的示意图；
图3是图解说明具有金属端子片的图2所示的圆柱形电容器的示意性视图；
图4是图解说明具有线状正或负端子栓的图2所示的圆柱形电容器的示意图；
图5图解说明与具有公知的互连技术的圆柱形电容器相关的宽回路电流路径；
图6是图5所示的圆柱形电容器的侧视图，图解说明在用于该圆柱形电容器的电容器极板中的电流路径；
图7图解说明根据本发明的一个方面，与具有被分段并被图案化的互连技术的圆柱形电容器相关的低回路电流路径；
图8是图7中所示的圆柱形电容器的侧视图，图解说明在用于该圆柱形电容器的电容器极板中的电流路径；
图9图解说明现有技术中公知的圆柱形电容器；
图10是表示图9所示的圆柱形电容器的一部分的横截面视图；
图11是图解说明根据本发明的另一方面的圆柱形电容器结构的示意图；
图12是表示图11所示的圆柱形电容器的一部分的横截面视图；
图13是表示图11所示的圆柱形电容器的另一部分的横截面视图；
图14表示适于形成叠层金属化薄膜电容器的一对曲奇式切口电极组；
图15表示采用图14所示的若干曲奇式切口电极组的叠层电容器结构；
图16表示图15所示的叠层电容器结构，连接有栓以形成完整的叠层电容器；
图17表示图16所示的完整的叠层电容器，其以薄片互连结构连接到DC总线杆；
图18是图16-17所示的完整的叠层电容器的侧视图，图解说明在该完整的叠层电容器的极板中的生成磁通消除效应的电流路径；以及
图19图解说明根据本发明的一个方面的若干高温，高性能圆柱形电容器，其构造为在高功率密度，高功率逆变中使用，适于高端电力转换应用，例如但不限于航空电子。
尽管上面标出的附图阐述了可选的实施例，如在讨论中所注明的，本发明的其它实施例也可预期。在所有情况下，本公开以表示而非限定的方式表示本发明的图解实施例。各种其它修正和实施例能够被本领域技术人员所设计，其落入本发明原理的范围和实质。附图标记：(10)第一电极组(12)第二电极组(14)连接部件(16)图案化金属沉积(18)薄膜(20)子区(30)圆柱形电容器结构(32)圆柱高度(34)圆柱直径(40)完整电容器(42)安装孔(46)完整电容器(48)端子栓(50)圆柱形电容器互连结构(51)电极端子(53)电极端子(54)传导带(56)互连回路(60)圆柱形电容器分段且图案化的互连结构(62)互连回路(80)卷绕薄膜电容器(82)电端子(84)电端子(86)卷在一起的电容器圆柱(87)电容器极板(88)电容器极板(90)卷绕薄膜电容器结构(92)第一电极组(93)第一极板(94)第一电介质薄膜层(95)第二电极组(96)第二极板(97)第二电介质薄膜层(100)电端子(102)电端子(104)凹陷区域(106)凹陷区域(108)隔离区域(110)曲奇式切口电极(112)曲奇式切口电极(114)第一电容器极板(116)第二电容器极板(120)叠层电容器结构(122)连接栓(124)连接栓(126)金属化连接(128)金属化连接(130)完整的叠层电容器(132)互连结构(134)互连结构(136)互连回路(140)高密度高功率逆变器(142)超低电感互连(15)流体冷却功率模块
具体实施方式
真实电容器的电学参数由于组成该电容器的结构和材料而与理想状态发生偏差，并且这增加了能够逆向地影响其性能的寄生元件。下面介绍了改善传统薄膜电容器的外壳以便降低该寄生元件的电学数值并从而改善该电容器的性能的方法。
下面参考的图1-4和7-8集中于本发明的以下方面：通过以如下方式分段并图案化电容器金属化部分以便当从线圈轴的方向观察时仅在卷起或叠层的薄膜电容器的一侧和部份提供互连。
现在请看图1，根据本发明的一方面，示出适于卷在一起以形成圆柱形电容器的第一电极组10和第二电极组12。第一和第二电极组10，12包括在薄膜18上的连接部件14和被分段并图案化的金属化部分16，其还被用于用成子区域20。根据一个方面，子区域20的数量随着该区域的变大而增加。L1-L5的尺寸被精确计算以便如下面参照图2-4所介绍的，当该第一和第二电极组10，12被卷起以形成金属薄膜电容器时其处于适当位置。
还设计该金属图案结构以通过应用下面参照图5-8详细介绍的磁通消除技术消除由电容器内的电流产生的磁场。该金属图案允许电容器具有在结构的相同轴向一侧的双电极，并且进而保证对该电容器接入的系统的非常紧密的互连。通过在制造过程中图案化该薄膜金属化部分，达到寄生电感的降低。该金属化部分图案化以如下方式设计，以便当薄膜被叠层或卷起时，该金属图案产生两个不同的互连。
图2是图解说明使用图1中所示的第一和第二电极组10，12的圆柱形电容器结构30的示意图。为电容器30的每个电极在该电容器的为该互连设计的相同一侧设立一个金属化互连结构14，并且在其它连接的其它部份进行重复。这形成了在电容器结构30的相同轴向一侧具有两个电极的结构。在圆柱形电容器30的情况中，该互连10，12形成半圆形，在两个部份之间具有足够的电压衰减空隙。
互连结构14能够例如通过喷涂使若干端子导体附接到该卷起或叠层的薄膜电容器30来构造。根据一个实施例，互连结构14通过首先在该卷起或叠层薄膜电容器30的凹陷区域中至少部分地填入低粘性填料，然后喷涂该填充区域的至少一部分以提供至少一个金属化接触区域。
进一步地，如下面参照图6和8所介绍的，分段该金属图案16使由在电容器极板上的直流电流产生的涡电流最小化。这一概念扩展到电容器30的形状因素以便最小化电流密度并产生具有低等效串联电阻的电容器。根据一个方面，电容器30的形状因素是短而平的圆柱形32，具有宽直径34。这增加了每个连接14的接触区域并通过使图案化的极板更宽，具有沿电流负荷方向上较短的长度来减少了极板的电流密度，并进而降低了电容器ESR和ESL。
上述概念能够容易地用于卷在一起的或叠层的薄膜电容器结构。在叠层薄膜电容器的情况下，该分段的金属薄膜从卷轴中扁平切口然后叠层以生成多层薄膜电容器。该图案化以如下方式设计，以便在一个电极上，该图案化具有在端子末端的一侧上的一个片，而相反的电极在端子末端相反的一侧具有它的片。该向外延伸的片将被折叠然后金属化以形成电容器互连，其位于电容器的同一侧。再次指出，根据一个方面的形状因素是短而宽的。
图3是图解说明图2所示的圆柱形电容器30的示意图，该电容器具有金属端子片以形成完整的电容器40。该金属片包括用于把电容器40附接到希望的组装位置的安装孔。
图4是图解说明图2所示的圆柱形电容器30的示意图，该电容器具有线状正或负端子栓48以根据另一实施例形成完整的电容器46。该端子栓48提供用于，但不限于，把电线，弯曲端子或叠层平面低电感互连和类似结构附接到该完整的电容器46的手段。
一种用于制造图1-4所示电容器的处理是对卷起来的薄膜增加标记的处理，以便生成该分段的图案化。该标记能够被敷到该薄膜并且在金属已经被敷上后移除；或者该标记可以是具有希望的标记图案化的连续卷，其与该电容器薄膜卷在一起穿过固定的金属喷涂头，因而在电容器薄膜上产生希望的金属图案。
该标记图案化卷一方面具有重复的图案，其在连续的回路中穿过该金属喷涂头。该处理有利地对很多现有的金属化腔要求很少的升级或调整。该重复的图案化通常将随着卷起的半径而改变。
现在转到图5，带有公知的互连技术的圆柱形电容器互连结构50被示出。公知的薄膜电容器结构一般采用如图5中所示的在电容器外壳/结构相对侧面的电极端子51，53。这种公知的结构表现出不希望的高电感和电阻，这会降低该电容器的效力，特别是当用在电力电子电路当中时，其中不希望的电感会造成电压过载并因而产生电噪并导致电容器压力。
具有更高的半导体开关频率的新电力电子设计的需求要求对总线杆和/或电容器的非常紧密的互连。该新的需求还要求电容器在非常高的纹波电流频率上运行并负载更大的电流。这导致对没有显示出为满足上述新需求的需要而必需的低ESL和ESR的传统电容器的电力性能进行改善的需要。
高ESR能够增加电容器的自热并降低其工作寿命预期。已经做了很多工作来改善电容器的电介质。然而，本发明的发明者意识到，电容器外壳的设计已经滞后，其中通过其它手段改善电容器的ESR能够比在电介质和电容器的导体上的改进产生明显更好的效果。
互连部50，虽然终止于外壳的相同一侧，通过在该端子的相对一侧焊接导体母线54并使该导体母线54围绕电容器外壳缠绕以在电容器外壳的同一侧形成互连部50来实现。该技术使电容器显得在同一侧具有端子；但从电学上看，该连接51形成了一个互连的回路56，其不希望地对系统互连的整个电容器增加了不需要的电感和电阻。
图6是图5所示的圆柱形电容器的侧视图，图解说明了该圆柱形电容器的电容器极板内的电流路径。因为每个电容器电极金属化部分是连续的，由于电容器内部电流产生的磁通量，电容器内部可能生成涡电流，造成自热效应并增加整体ESR。穿过电容器结构的该电流的连续路径表现为自激电感。
尽管外部回路已被置于临近该电容器以产生与该电容器的内部自激电感磁场相反的磁场，该外部回路由于该外部回路56和电容器的ESL之间不良的耦合而仅具有有限的成效。
图7图解说明根据本发明的一个方面，分段的图案化的互连技术60的圆柱形电容器。具有在电容器相同一侧的互连对获得非常低的互连电感是重要的，如前面所指明的。上面参照图1-4介绍的金属化图案化允许电容器30具有相同一侧的端子，如图7所示，并且它还提供具有更少的自热和更宽的频率响应的更好的电力性能的电容器。
根据上述一个方面，用于电容器30的形状因素是短而平的圆柱形或者具有宽直径的主体高度或者主体长度34，很像一张饼或者较短的叠层的饼。这增加了每个连接14的接触区域并通过使该图案化极板更宽，具有电流负载路径上较短的长度来降低极板的电流密度，如上所述。该形状因素很好地利用了低电流密度和增加的接触区域来进一步降低电容器的ESR和ESL，对于ESL提供了2到3倍的好处，因为ESL通过较短和较宽的电流路径而得以降低。
上述形状因素降低了电流必须流经的导体的长度，并且在电容器的末端加宽了金属化部分，增加了互连60的接触区域。进一步地，图1-4和7-8所示的电容器结构确保了每个电极上的电流将相反并平行，如图8中所示，而不是如图6中所示的在一个方面上沿着该圆柱形。这种结构增加了磁通量消减，进一步降低了电容器内的电感，如前面所述，因为ESL由磁场消减而被降低。
在该圆柱形电容器中的图案化金属化部分被精确地计算以便当该金属薄膜被叠层并且然后被卷起时，使分段电极的连接部件14在电容器30的圆形末端的正确一侧可用，以形成该半圆形连接。在扁平切口和叠层薄膜电容器的情况中，使该分段电极的连接部件在连接表面的作为可被金属化的边缘的一侧或者作为可被折叠然后金属化的栓的一侧可用，从而增加了接触区域。
进而，由于图7中所示的该圆柱形电容器分段图案化互连技术60包括其在圆柱形电容器的相同轴向一侧的电端子，产生的互连回路62与现有技术的状况相比对系统互连的整个电容器显示出显著地低电感。
图8图解说明用于图7中所示的圆柱形电容器的电容器极板中的电流路径。该结构，如前面指出的，产生磁通量消减，进而降低电容器内的电感。
在简明的解释中，超低电感金属薄膜电容器包括被分段并图案化的金属化部分，该金属化部分只在卷起的薄膜电容器的轴线一侧或者叠层的薄膜电容器的一个边缘提供互连。该结构比传统的电容器结构提供更好的电力性能，包括但不限于，更好的滤波特性，更高的电流纹波容量，更低的自热，以及增加的可用频率范围。该结构进而允许很多新产品在尺寸，重量和体积上的降低，这些新产品通过降低在系统中对更小，更高频的电容器的需要而进入市场。
图9和10表示图解说明现有技术中公知的切割的薄膜电容器80的更具体的示意图，并且其包括在该卷起的电容器圆柱形86的两端的电端子82，84。因为该电端子82和84是被设置在该切割的薄膜电容器80的相反末端，电流在图6所示的方向上沿着圆柱形86流动。
图10图解说明图9中所示的用于电容器80的电容器极板87，88的剖视图。
图11-13表示图解说明根据本发明的另一方面的切割薄膜电容器结构90的更具体的示意图。能够看到卷绕薄膜电容器90包括具有第一极板93和第一电介质薄膜层94的第一电极组92；和具有第二极板96和第二电介质薄膜层97的第二电极组95，适于卷在一起以形成该圆柱形电容器90。
第一电极组92被构造成具有电端子100，其设置在圆柱形电容器90的上表面的第一部分上，以便该电端子100与第一电极组92的第一极板93通电接触。该第二电极组95被构造为具有电端子102，其设置在圆柱形电容器90的上表面的第二部分上，以便该电端子102与第二电极组95的第二极板96相接触。
与第二电极组95的第二极板96和第一电极组92的第一极板93相关的隐蔽区域104，106一起构成，以便当第一和第二电极组92，95被卷在一起以实现该圆柱形电容器结构90时，该隐蔽区域104，106将与其自身对齐以便彼此物理隔离电端子100，102，从而在卷绕薄膜电容器90的第一极板93和第二极板96之间建立希望的隔离区域108。
图14表示适于形成叠层金属薄膜电容器的曲奇式切口电极110，112。电极110被构造为具有第一电容器极板114，而电极112被构造为具有第二电容器极板116。
图15表示采用图14所示的若干曲奇式切口电极110，112的叠层电容器结构120。电极110，112被构造为在结构120的公共表面可接触，以便在该公共表面上该若干个电容器极板114与若干电容器极板116相隔离。
图16表示图15所示的叠层电容器结构120，具有连接栓122，124以形成完整的叠层电容器130。该若干电容器极板114通过相应的金属化连接126连在一起，而若干电容器极板116通过相应的金属化连接128连接在一起。
图17表示图16中所示的完整的叠层电容器130，其以薄片状互连结构132，134连接到DC总线杆。该结构有效地提供互连回路136，该回路比以公知的更为常见的电容器外壳可达到的要小。作为结果的较小的互连回路136生成具有较小电感的结构以提供上面讨论的优点。
图18是图16-17所示的完整的叠层电容器130的侧视图，图解说明了在该完整的叠层电容器130的极板114，116中的电流路径，以便产生与之前参照使用相同的分段和图案化原理的圆形电容器结构来讨论的相类似的磁场通量消减效果。
图19根据本发明的一个方面，图解说明若干高温度，高性能圆柱形电容器90，其被构造用于高密度，高功率逆变器140，该逆变器适用于高端功率转换应用，例如但不限于，航天应用。该电容器90与逆变器140集成以提供超低电感互连142。圆柱形电容器90能够容易地以具有矩形形状因素的叠层电容器130代替以最大化逆变器140的每单位体积的容量。根据本发明的一个方面，采用流体冷却功率模块150提供该功率逆变器140的内部冷却。
该圆柱形薄膜电容器90或者叠层薄膜电容器130还很好的适用于高性能EMI滤波器，其要求使用常用薄膜电容器不能达到的滤波性能，因为电容器90和130由于上面介绍的结构具有非常高的自谐振频率。
虽然参照圆柱形和叠层层薄膜电容器二者介绍了特定实施例，可以相信上述概念在特定条件下也应用于电解和液体填充类型的电容器。另外，这里介绍的概念和原则易于应用于具有电介质材料层和金属电极的任何类型的电容器。
这里介绍的原理对电力电子上的高温电容器的设计和应用是特别有用的，其要求非常严格的高温应用，包括但不限于航天，电力汽车，特定医学应用，风力和油气应用。采用这里介绍的原理的电容器，例如，作为DC链路电容器，输入，输出和EMI滤波电容器用在逆变器内，以及与电能转换电力设备相关的多种其它应用。
虽然仅在本发明的特定特征在此被图解和描述，本领域技术人员将进行多种调整和改进。因而，可以理解所附的权利要求书旨在覆盖这些落入本发明的真正主旨之内的调整和改进。

Claims (9)

1.一种薄膜电容器，其包括被分段、图案化并构造为在被卷起或叠层的薄膜电容器的仅仅一个轴向侧/边缘提供具有互连的多个不连续电极组的金属化部分，其中，每个电极组包括多个相应的金属化部分，每个金属化部分包括几何图案，所述几何图案与每一个另外的相应电极组的金属化部分的几何图案不同，至少一个金属化部分包括结合在其内且仅仅部分地延伸穿过所述相应的金属化部分的一个或多个子区域，并且每个金属化部分内的子区域的数量基于所述金属化部分的尺寸。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，当所述薄膜电容器构造成被卷起的薄膜电容器时，各所述互连基本上构造成半圆。
3.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，所述薄膜电容器还包括附接到各互连上的金属端子片，其中所述金属端子片包括用于把所述电容器附接到希望的组装位置的安装孔。
4.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，所述金属化部分包括第一电极组和第二电极组，它们被一起构造以便当所述薄膜被叠层或卷起时，所产生的金属图案形成两个不同的互连，一个用于所述电容器的在所述电容器指定于该连接的一半上的各电极。
5.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，该分段且图案化的金属化部分构造成金属薄膜是被卷起或叠层的。
6.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，所述被分段并图案化的金属化部分进一步被构造为当所述薄膜被叠层或卷在一起时，产生的被叠层或卷在一起的薄膜电容器具有饼形外形结构，以降低其等效串联电感，该等效串联电感低于常见薄膜电容器所达到的等效串联电感。
7.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，所述被分段并图案化的金属化部分进一步被构造为当所述薄膜被叠层或卷在一起时，产生的被叠层或卷在一起的薄膜电容器具有非常高的自谐振频率，适用于要求常用薄膜电容器不能达到的滤波性能的高性能EMI滤波器。
8.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，所述互连通过喷涂使若干端子导体附接到所述卷起或叠层的薄膜电容器来构造。
9.根据权利要求1所述的薄膜电容器，进一步包括：
填材，构造为至少部分地填入所述被卷在一起或叠层的薄膜电容器的凹陷区域，并进而构造为基本防止与所述薄膜电容器相关的短路状况；以及
至少一个金属化接触区域，其喷涂于所述填充区域的至少一部分上以形成互连。
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