CN103560015A

CN103560015A - 一种高压大容量混合钽电容器组集成模块

Info

Publication number: CN103560015A
Application number: CN201310512741.3A
Authority: CN
Inventors: 陆胜; 施洪权
Original assignee: Ju Electricity Science And Technology Ltd Of Guizhou Air China
Current assignee: Ju Electricity Science And Technology Ltd Of Guizhou Air China
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明提供一种高压大容量混合钽电容器组模块。该模块包含32支100V470μF轴向混合钽电解电容器，4支高精度分压电阻，一支高性能陶瓷旁路电容，和两块正负极引线电路板组成，整体采用高温绝缘树脂灌封于高强度轻质铝镁合金外壳内，其中，钽电解电容器32支分成4组，每组8支并联，4组串联；每组串联的电容器旁并接有高精度分压电阻；模块整体的旁路电容为型号为104K/630V高压陶瓷电容器。本模块具有极低的漏电流(小于300μA)，阻抗频率特性好，ESR值可在10KHZ-1000KHZ范围内保持稳定，使用温度范围-55℃-125℃，能够很好地满足现代航空、航天电子系统高频化、小型化、高可靠的要求。

Description

一种高压大容量混合钽电容器组集成模块

技术领域：

本发明公开了一种高压大容量混合钽电容器组模块。

背景技术：

通常电容器组脉冲放电装置从结构来讲非常简单，但用途却非常广泛。目前主要用在受控热核聚变，等离子体箍缩，等离子体焦点，脉冲强磁场，电磁推进，电爆炸导体，电磁成形，电磁冲击模拟，液电爆炸，飞行器除冰等方面。

近年来，随着世界军事格局的多极化发展，在航空航天以及防御系统中要求实现远程及超远程精准制导与防控，于是对于其电源系统所能提供的能量密度提出了越来越高的要求。例如美国能源部，洛克希德马丁，美国航空航天局，雷声公司，罗克韦尔公司等等，其机载雷达和激光脉冲等电子系统中的电源系统所要求的功率密度都越来越高。为了提高系统电源效率，这类系统通常都采用脉冲功率装置，一般由多个脉冲电容器组为储能单元并联组成，要求系统的脉冲电容器组能够承受较高的电压达到400V，并且容量大，内感尽可能地小，高频特性好，能够多次重复充放电，抗干扰能力强，可靠性高等。然而，传统的电解电容器电荷存储区域都是平面结构，用介质分离电极，这些介质多为塑料、纸或薄膜陶瓷等材料，由于元件性能的先天性限制，电容器的容量增长举步维艰，难以满足高能量密度的要求。同时，电容器的耐压强度不仅与绝缘介质的击穿电压决定，还受形状、面积、连接部位的材料以及他们与绝缘材料的吻合性等因素有关。

因此针对现代航空、航天电子系统特别是功率脉冲电路系统的应用，还需要综合考虑电容器本身电气性能，电容器组连接引线部位材料及与整体封装材料之间吻合性，抗干扰性等因素，最终提供高可靠的电容器集成模块解决方案。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现代航空、航天电子系统特别是功率脉冲电路系统的高功率密度的特殊要求，提供一种高压大容量混合钽电容器组模块，使其在高压条件下能量密度远远超过传统的电容器。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种高压大容量混合钽电容器组模块，内部包含32支100V470μF轴向混合钽电解电容器，4支高精度分压电阻，一支高性能陶瓷旁路电容，和两块正负极引线电路板组成，整体采用高温绝缘树脂灌封于高强度轻质铝镁合金外壳内，其中，

钽电解电容器32支分成4组，每组8支并联，4组串联；

每组串联的电容器旁并接有高精度分压电阻；

模块整体的旁路电容为型号为104K/630V高压陶瓷电容器。

进一步地，所述的轴向混合钽电解电容器的额定电压为100V，电容量为500±30μF，采用内部镀二氧化钌的全金属钽外壳封装，其外形尺寸为φ10×27mm，重量小于13g，漏电流小于30μA。

进一步地，所述的高精度分压电阻为碳合成抗脉冲电阻，能够承受很高的瞬间脉冲和能量，阻值范围：2.2-10MΩ。

进一步地，所述的高性能陶瓷旁路电容选用MURATA(村田)、TDK、YAGEO(国巨)、Taiyo(太阳诱电)、KEMET公司生产的1812贴高压陶瓷电容，型号为104K/630V。

进一步地，所述的高温绝缘树脂为HL-1108双组份耐高温绝缘保密环氧树脂灌封胶，常温固化，固化后体电阻达到1.5×10¹⁵Ω.cm，耐压值达到20-23KV/mm²，耐温160℃。

进一步地，所述的高强度轻质铝镁合金外壳主要材料质为5052或5083铝镁合金，厚度1.0mm.-1.5mm。

进一步地，外形尺寸仅为：长*宽*高=122mm*38mm*30mm，误差±1mm；整体重量500±20g；额定电压400V，电容量1000±100μF，漏电流小于300μA。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有极低的漏电流(小于300μA)，阻抗频率特性好，ESR值可在10KHZ-1000KHZ范围内保持稳定，使用温度范围-55℃-125℃，能够很好地满足现代航空、航天电子系统高频化、小型化、高可靠的要求。

附图说明：

图1是本发明一个实施例所用组合钽电容器的内部结构图。

图2是本发明一个实施例40V1000μF电容器模块的内部组合原理图。

图3是本发明一个实施例40V1000μF电容器模块各电容器的组合示意图；

图4是本发明一个实施例40V1000μF电容器模块各电容器的正负极引出电路板布线示意图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明一个实施例所用组合钽电容器的内部结构图；

1烧结钽块 2四氟防震垫片 3钽阳极引线头 4钽管

5玻璃绝缘子与金属盖 6激光焊接口 7阳极引线以焊点

8镍引线(正极) 9钽块和外壳间凝胶硫酸 10五氧化二钽

11支架四氟防震垫片 12焊于外壳的铜引线(负极)

13化沉积于外壳内壁的二氧化钌 14全金属钽外壳

根据现有钽电解电容器CAK35生产工艺，本发明对100V470μF钽电解电容器的设计进行了改进。首先在阳极设计过程中选用了纯度为99.99％的高纯度钽粉，且钽粉的比容高于10000μF.V/g，保证了单只产品的大容量；其次为了保证产品容量的稳定性，对产品阴极筒采用全金属钽外壳，且在全金属钽外壳的内壁镀上一层颗粒度达到纳米级的二氧化钌。

图2是本发明一个实施例40V1000μF电容器模块的内部组合原理图；图3是本发明一个实施例40V1000μF电容器模块各电容器的组合示意图。要实现高压大容量的要求，需对单只产品进行串并联组合。通常有两种选择方案，一种是先串联后并联，另一种是先并联后串联，前一种方式通常针对大直径正负极同向引出产品，后一种方式通常针对小直径轴向引出产品。本发明选用CAK35型轴向引出产品进行组合，所以采用先并后串的组合方式，共需4组电容器串联，使其耐压值达到400V，电压产品的安装方式为卧式安装。为满足脉冲功率技术中电流上升陡度大的要求，组合电容器需要尽量减小引线回路电感，为满足减少回路电感的要求，在组合路的设计中通常要满足以下要求：较小的电感和电阻，或较低的波阻抗；能承受较大的电动力；连接点有很好的接触，以减少接触电阻；各引线之间有足够的绝缘强度。本发明采用阻燃覆铜箔环氧PCB进行组合线路设计。

串联电容器组在工作过程中容易因电容器本身性能的改变而使得单只电容器承受的电压发生改变，为了确保每只电容器在工作过程中承受相同的电压，本发明在每组串联电容器间并接一个高精度分压电阻，根据脉冲功率电路的要求，分压电阻为碳合成抗脉冲电阻，能够承受很高的瞬间脉冲和能量，阻值范围：2.2-10MΩ。

同时为减少脉冲功率电路负载及控制电路产生高次反馈谐波信号对储能电容器组的影响，本发明在上述组合电容器组并联一只小容量高压陶瓷电容器作为旁路电容。在脉冲功率电路中由于存在反复的瞬间脉冲和能量，对陶瓷电容的强度要求较高，所以旁路陶瓷电容的耐压值通常为组合脉冲电容组额定电压的1.5倍以上，本发明选择陶瓷电容器的型号为104K/630V。

为保证整个电容模块的机械强度和抗震性能，电容器在组合好后还需要进行整体封装。根据航空航天系统的要求，本发明选用高强度轻质铝镁合金外壳，同时考虑到与电容器全金属钽外壳之间的绝缘及膨胀性能的要求，本发明选用了HL-1108双组份耐高温绝缘保密环氧树脂灌封胶进行整体灌封。

图4是本发明一个实施例40V1000μF电容器模块各电容器的正负极引出电路板布线示意图。图中虚线为内部电容器位置示意，粗实线为电路连接的铜线，线宽度为2-3mm。板上15、16、17、18为(a)/(b)两个侧电路板上对应的穿孔，穿孔尺寸为φ1.5mm，两板间通过穿孔导线及板上铜线路将分压电阻并接到每个分电容器组上起到分压作用。19为旁路电容安装，20为电容模块整体的正极引线连接孔，21电容模块整体的负极引线连接孔。

本发明的工作原理是：

将单只较大容量电解电容器进行并联，形成电容器组，满足系统大容量的要求；将并联大容量的电容器组进行串联，满足系统高电压的要求；同时在单只电容器的高设计中采用高比容、高纯度的钽粉制造电容器的阳极芯块，并在电容器的阴极筒内壁镀上一层颗粒度达到纳米级的二氧化钌，保证了单只产品的大容量，从而保证整个电容器模块具有高的储能密度；在每组串联的电容器旁并接高精度碳合成抗脉冲电阻，保证工作过程中每只电容器都承受相同的电压，提高系统抗大能量瞬间脉冲的能力；采用型号为104K/630V高压陶瓷电容器作为模块整体的旁路电容，能够吸收脉冲功率电路负载和控制信号产生的高次谐波；将电容器组、分压电阻、旁路电容整体集成和封装，保证了系统的小型化和高可靠性。

按“DSCC-93026/MIL-PRF-39006”的规定将上述电容器模块进行试验，其主要电气性能参数测试结果如下：

经相关用户单位使用后，还可以发现本发明模块还具有以下特点：

(1)充电速度快，5秒内可达到98％的储能量；

(2)体积小，功率密度高，达到5kJ/L；

(3)可重复循环使用，反复充放电可达到200万次；

(4)使用温度范围宽，-55℃-125℃；

(5)极高可靠性，满足航空航天系统6级以上可靠性要求。

最后应当说明的是，以上实施例仅用说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照具体实施例对本发明作了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，内部包含32支100V470μF轴向混合钽电解电容器，4支高精度分压电阻，一支高性能陶瓷旁路电容，和两块正负极引线电路板组成，整体采用高温绝缘树脂灌封于高强度轻质铝镁合金外壳内，其中，

钽电解电容器32支分成4组，每组8支并联，4组串联；

每组串联的电容器旁并接有高精度分压电阻；

模块整体的旁路电容为型号为104K/630V高压陶瓷电容器。

2.根据权利要求1所述的一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，所述的轴向混合钽电解电容器的额定电压为100V，电容量为500±30μF，采用内部镀二氧化钌的全金属钽外壳封装，其外形尺寸为φ10×27mm，重量小于13g，漏电流小于30μA。

3.根据权利要求1所述的一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，所述的高精度分压电阻为碳合成抗脉冲电阻，能够承受很高的瞬间脉冲和能量，阻值范围：2.2-10MΩ。

4.根据权利要求1所述的一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，所述的高压陶瓷电容器选用MURATA(村田)、TDK、YAGEO(国巨)、Taiyo(太阳诱电)、KEMET公司生产的1812贴高压陶瓷电容，型号为104K/630V。

5.根据权利要求1所述的一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，所述的高温绝缘树脂为HL-1108双组份耐高温绝缘保密环氧树脂灌封胶，常温固化，固化后体电阻达到1.5×10¹⁵Ω.cm，耐压值达到20-23KV/mm²，耐温160℃。

6.根据权利要求1所述的一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，所述的高强度轻质铝镁合金外壳主要材料质为5052或5083铝镁合金，厚度1.0mm.-1.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种高压大容量混合钽电容器组模块，其特征在于，外形尺寸仅为：长*宽*高＝122mm*38mm*30mm，误差±1mm；整体重量500±20g；额定电压400V，电容量1000±100μF，漏电流小于300μA。