CN104766722A - 具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器 - Google Patents

具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,包括数量≥2个芯子、连接铜板、填充材料和圆柱形壳,还包括叠层母排和绝缘膜;电容器的引出电极与叠层母排连接,叠层母排与各芯子的喷金电极面之间由连接铜板连接,并且各芯子之间为电气并联结构。本发明的电容器关键指标等效串联电阻ESR和自身电感Lself尤其突出,得到很大提高,特别适合于高要求、大尺寸、大容量的场合应用,不仅电容器自身的长寿命可靠应用有了保证,其很低的自身电感对于功率模块IGBT也具有良好的保护作用。

Description

具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器
技术领域
本发明涉及一种电容器,具体涉及一种具有低电感低等效串联电阻特性、外壳为圆柱形的金属化膜滤波电容器。
背景技术
为了提高电容器的载流能力,在电容器的内部并联多个芯子,以此来提高电容器的过电流能力。
本申请人在2009年申请了一种高频率大电流金属化膜滤波电容器即中国专利文献CN 201725688 U(申请号 200920038828.0),包括电容器外壳、电容器芯子和两个引出电极;至少两个电容器芯子上、下层叠排列且封装在同一电容器外壳内,所述各电容器芯子通过从其两端的喷金层引出的导电片穿过电容器卷绕芯棒与两个引出电极实现电连接,从而封装在同一电容器外壳内的各电容器芯子之间组成电气并联结构。
在上述专利中,将传统卷绕单个电容器芯子的薄膜在其有效宽度L方向上,分成二个L/2或三个L/3(理论上可多个)宽的薄膜卷绕芯子,而后通过并联连接铜板将上、下层叠的2个或3个电容器芯子实现电气上的并联连接,从而达到在相同额定指标条件下大幅降低电容器等效串联电阻(ESR)的目的,使得电容器能耐受相对更大的纹波电流,或者在相同纹波电流条件下,电容器芯子的温升可以更低,有利于电容器长寿命可靠运行。
但是上述结构的电容器在要求更高的场合仍然无法满足使用要求。以三个L/3宽的薄膜卷绕出的芯子层叠排列得到的电容器为例,其电气原理图见图1,图1中*为卷绕芯棒,并联连接芯子的铜板穿过卷绕芯棒的内六角孔与电容器引出电极连接,所述卷绕芯棒由工程塑料制成,外形为圆柱形,内腔为六角形空腔。这种结构的电容器存在以下问题:1、受卷绕设备的限制,卷绕芯棒不能任意选择大小。即便我们已经使用了较大尺寸的芯棒,但允许通过的并联连接铜板尺寸最大不能超过厚度1.0mm、宽度10mm,即截面积只能≤10mm2,这样就限制了电容器通过高频大电流的能力;或者说在通过高频大电流时会导致芯棒内铜板发热量过高,尤其是上方靠近引出电极的芯子,穿过芯棒六角腔体的铜板数量较多,发热量较大,此时电容器内存在着热量无法迅速传导出去而导致击穿的风险。2、为了实现三个芯子的层叠并联,在上、中、下三个芯子卷绕芯棒中间通过的用于并联连接的铜板分别为5条、3条、1条,即使铜板有一定的热传导作用,仍会导致三个芯子温度升高的较大差距,实际产品在高频大电流条件下的温升试验也证明了这一点。而上面芯子卷绕芯棒内的较大发热,很难通过卷绕直径较大的芯子迅速传导出去。由此,容易造成上芯子薄膜内部靠近卷绕芯棒的位置温度过高,引发薄膜抗电压能力下降而导致电容器击穿。
此外,上述结构的电容器,其自身电感在35nH的水平甚至更高,对功率模块器件(IGBT)的安全使用存在一定隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低电感、低等效串联电阻、耐受高频率大电流且外壳为圆柱形的金属化膜滤波电容器。
实现本发明目的的技术方案是一种具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,包括数量≥2个芯子、连接铜板、填充材料和圆柱形壳,还包括叠层母排和绝缘膜;电容器的引出电极与叠层母排连接,连接铜板设置在芯子的外侧面上,叠层母排与各芯子的喷金电极面之间由连接铜板连接,并且各芯子之间为电气并联结构。
上述连接铜板由连接段和连接片组成,连接段的两端分别设置一个连接片;连接段为长条形,其截面为圆弧形,连接段的内侧表面与芯子的圆柱形外侧面贴合设置。
上述叠层母排中上面的一块铜板为正电极铜板,下面的一块则为负电极铜板负电极铜板和其下方的第一芯子上喷金电极面直接焊接。
上述各芯子的上下两个喷金电极面由各自的连接铜板连接在叠层母排的对应电极铜板上。
作为优选的,连接铜板连接各芯子的上下喷金电极面和叠层母排对应的电极铜板时,两块连接铜板中电流方向相反时,两块连接铜板层叠设置形成Busbar结构。
进一步的,对于相邻的上、下两个芯子,位于上方芯子的下喷金面和位于下方芯子的上喷金面由各自的连接铜板连接在同一块电极铜板上,这两块连接铜板层叠放置形成Busbar结构。
上述层叠的两块连接铜板之间设置绝缘膜以实现绝缘。
上述各个连接铜板在经过有电位差的地方时,其对应位置的内壁上设置绝缘膜以确保绝缘。
本发明所述圆柱形壳为圆柱形铝壳或圆柱形塑料壳。
本发明具有积极的效果:(1)本发明的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器使用了内置叠层母排,不但有利于降低电容器由金属电阻造成的ESR,也有利于降低电容器自身的电感。
(2)由于将连接铜板设置在圆柱形芯子的外周面上,连接铜板的厚度和宽度不再受到严格限制,可以根据温控需要以及其它使用要求适度调整宽度和厚度。此时连接铜板的截面积和表面积均可以显著增加,并且由于其安装位置距离电容器的外壳较近,产生的热量容易散发,从而可以有效的降低电容器芯子的温升。
(3)各个芯子的与叠层母排相连的连接铜板之间采用重叠设置,形成了叠层母排结构,进一步降低了电容器自身的电感。
(4)本发明通过对连接铜板的尺寸以及放置位置的设置,采用相同的薄膜材料卷绕两组相同的芯子,每组均为3个芯子层叠并联,按照本发明生产的67只2400uF电容器,和按照中国专利CN 201725688 U生产的6只2400uF相比,前者的等效串联电阻ESR在10KHz时为0.28~0.34mΩ,自身电感Lself小于12nH;而后者则分别为0.93~0.99mΩ和大于30nH。显然,本发明电容器的关键指标即等效串联电阻和自身电感尤其突出,得到很大提高,特别适宜高要求、大尺寸、大容量的场合,不仅电容器自身的长寿命可靠应用有了保证,其很低的自身电感对于功率模块IGBT也具有良好的保护作用。
附图说明
图1为中国专利文献CN 201725688 U公开的由3个芯子层叠并联得到的电容器的电气原理图;
图2为实施例1的电容器的电气原理图;
图3为实施例1的电容器的立体图;
图4为实施例1的电容器内连接铜板的立体示意图;
图5为实施例1的电容器的内部结构立体示意图;
图6为将图5旋转180°后的立体结构示意图;
图7为实施例1的电容器连接铜板和绝缘膜的装配示意图;
图8为实施例2的电容器的内部结构立体示意图;
上述附图中的标记如下:
芯子1,第一芯子11,第一芯子上喷金面11a,第一芯子下喷金面11b,第二芯子12,第二芯子上喷金面12a,第二芯子下喷金面12b,第三芯子13,第三芯子上喷金面13a,第三芯子下喷金面13b,第四芯子14,第四芯子上喷金面14a,第四芯子下喷金面14b,;
连接铜板2,连接段2a,连接片2b,第一连接铜板21,第二连接铜板22,上连接片22b-1,下连接片22b-2,第三连接铜板23,上连接片23b-1,下连接片23b-2,第四连接铜板24,上连接片24b-1,下连接片24b-2,第五连接铜板25,上连接片25b-1,下连接片25b-2;
叠层母排3,正电极铜板31,电容器引出电极31-1;负电极铜板32,电容器引出电极32-1;
绝缘膜4。
具体实施方式
本发明在描述方位时,将电容器中靠近引出电极的芯子称作上部芯子,芯子按照从上至下的顺序依次称作第一芯子、第二芯子……第N芯子;将靠近芯子内部卷绕芯棒的一侧作为内侧,靠近电容器外壳的一侧作为外侧。
(实施例1)
见图2至图5,本实施例的具有低电感、低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器包括芯子1、连接铜板2、叠层母排3、绝缘膜4、填充材料和圆柱形铝壳;芯子1、连接铜板2、叠层母排3、绝缘膜4和填充材料设置在圆柱形铝壳内部,填充材料设置在圆柱形铝壳和内部元件中间以保证绝缘。除了圆柱形铝壳,电容器的外壳也可由塑料制成,即可以用圆柱形塑料壳代替圆柱形铝壳。所述绝缘膜为聚酰亚胺膜,填充材料为聚胺酯。
本实施例的电容器的额定指标为700VDC 2400uF,其圆柱形铝外壳尺寸为Φ116 x H 262。
芯子1包括第一芯子11、第二芯子12和第三芯子13,第一芯子11、第二芯子12和第三芯子13均为圆柱形,由两层宽度为L/3的金属化薄膜在长度方向错开放置后,沿长度方向卷绕得到圆柱体,圆柱体的两个端面通过金属喷镀形成喷金面从而得到芯子。所述金属化薄膜包括电介质薄膜和金属蒸镀层,金属蒸镀层设置在电介质薄膜的一侧表面上。两层金属化薄膜放置时,将一层金属化薄膜的未设置金属蒸镀层的面叠放在另一层金属化薄膜的金属蒸镀层上。
第一芯子11、第二芯子12和第三芯子13同轴线从上至下层叠放置,分别通过圆柱侧面上的连接铜板2与叠层母排3相连,在电容器内部形成三芯柱形并联结构。
见图4,所述连接铜板2由连接段2a和连接片2b组成,连接段2a的两端分别设置一个连接片2b。连接段2a为长条形,连接段2a的截面为圆弧形,连接段2a的内侧壁面与芯子1的圆柱侧面贴合设置。连接片2b设置在连接段2a的端头并与连接段2a垂直;两个连接片2b位于连接段2a的同一侧面上。
所述叠层母排3包括正电极铜板31、负电极铜板32和绝缘膜,绝缘膜放置在正电极铜板 31和负电极铜板 32之间(图中未画出),本实施例使用的绝缘膜为聚酰亚胺膜。金属化薄膜电容器本身并无正负电极之分,但考虑到此类电容器接入电路应用时,总是接在直流电源的正负电极端,因此从名称区分的角度,我们称叠层母排中上面的一块铜板为正电极铜板,下面的一块则为负电极铜板。
正电极铜板31和负电极铜板32均为圆形平板,重叠部分的面积达到铜板使用面积的90%以上。正电极铜板31上设置电容器引出电极31-1,负电极铜板32上设有电容器引出电极32-1;正电极铜板31和绝缘膜上与负电极32-1相对的位置设有让位孔,电容器引出电极32-1从上至下穿过正电极铜板31和绝缘膜的让位孔设置在负电极铜板32上。   绝缘膜和正电极铜板31上设置的让位孔必须保证电容器的2个引出电极之间符合绝缘要求。
见图5至图7,叠层母排3的负电极铜板32的下端面焊接在第一芯子上喷金面11a上。
第一芯子下喷金面11b通过第一连接铜板21与正电极铜板31相连;第一连接铜板21的下连接片焊接在第一芯子下喷金面11b上,第一连接铜板21的上连接片焊接在正电极铜板31的上端面。第一连接铜板21的连接段2a贴合在第一芯子11的圆柱侧面上;第一连接铜板21在经过第一芯子11的上喷金电极面和叠层母排3的负电极铜板32时,使用聚酰亚胺绝缘膜隔离,保证电极间绝缘。
第二芯子上喷金面12a通过第二连接铜板22与正电极铜板31相连;第二连接铜板22的下连接片22b-2焊接在第二芯子上喷金面12a上,第二连接铜板的上连接片22b-1焊接在正电极铜板31的上端面。第二连接铜板22在经过第一芯子11的上喷金电极面和叠层母排的负电极铜板32时,使用聚酰亚胺绝缘膜隔离,保证电极间绝缘。
第二芯子下喷金面12b通过第三连接铜板23与负电极铜板32相连;第三连接铜板23的下连接片23b-2焊接在第二芯子下喷金面12b上,第三连接铜板23的上连接片23b-1焊接在负电极铜板32的上端面。
第二连接铜板22和第三连接铜板23中的电流方向相反,可叠层放置,叠放时第二连接铜板22和第三连接铜板23之间放置绝缘膜4,绝缘膜4不但保证第二连接铜板22和第三连接铜板23之间重叠部分的绝缘,同时保证第三连接铜板23和第一芯子11的下喷金电极面以及第二芯子12的上喷金电极面之间的绝缘。放置时,第二连接铜板22和第三连接铜板23的上连接片各自切掉宽度方向的1/2,以利焊接的实施。
第三芯子上喷金面13a通过第四连接铜板24与负电极铜板32相连;第四连接铜板24的下连接片24b-2焊接在第三芯子上喷金面13a上,第四连接铜板24的上连接片24b-1焊接在负电极铜板32的上端面。第四连接铜板24的连接段2a贴合在第一芯子11和第二芯子12的圆柱侧面上。
第四连接铜板24在经过第一芯子11和第二芯子12叠合在一起的等电位喷金电极面时,必须使用聚酰亚胺绝缘膜隔离。第二芯子12 的下喷金电极面和第三芯子13的上喷金电极面电位相同。
第三芯子下喷金面13b通过第五连接铜板25与正电极铜板31相连;第五连接铜板25的下连接片25b-2焊接在第三芯子下喷金面13b上,第五连接铜板25的上连接片25b-1焊接在正电极铜板31的上端面。
第五连接铜板25和第四连接铜板24中的电流方向相反,可叠层放置,并在两层连接铜板之间放置聚酰亚胺绝缘膜,不但保证第五连接铜板25和第四连接铜板24重叠部分之间的绝缘,同时保证第五连接铜板25和第二芯子12、第三芯子13叠合在一起的等电位喷金电极面之间的绝缘,也保证了连接铜板25和叠层母排负电极板32之间的绝缘。
本实施例中,各个连接铜板在经过各个芯子的喷金面和叠层母排时,其对应位置的内壁上设置绝缘膜4以确保绝缘。
对于两个相对的喷金面,例如第一芯子下喷金面11b和第二芯子上喷金面12a、第二芯子下喷金面12b和第三芯子上喷金面13a,本发明将两个相对喷金面通过连接铜板2连接在同一块电极铜板上,此时相对的两个喷金面等电位。
(实施例2)
本实施例的具有低电感、低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器其余与实施例1相同,不同之处在于:见图8,还包括第四芯子14。第一芯子11、第二芯子12、第三芯子13和第四芯子14同轴线从上至下层叠放置,分别通过圆柱侧面上的连接铜板2与叠层母排3相连,在电容器内部形成四芯柱形并联结构。
第一芯子11、第二芯子12、第三芯子13的喷金面与叠层母排3的连接结构与实施例1中相同。
对于第四芯子14,第四芯子上喷金面14a通过第六连接铜板与正电极铜板31相连;第六连接铜板的下连接片焊接在第四芯子上喷金面14a上,第六连接铜板的上连接片焊接在正电极铜板31的上端面。第六连接铜板的连接段贴合在第一芯子11、第二芯子12和第三芯子13的圆柱侧面上。
第六连接铜板在经过第一芯子11和第二芯子12以及第二芯子12和第三芯子13叠合在一起的等电位喷金电极面时,必须使用聚酰亚胺绝缘膜隔离;同样的,第六连接铜板在经过第一芯子11的上喷金电极面和叠层母排3的负电极铜板32时,使用聚酰亚胺绝缘膜隔离,保证电极间绝缘。
第四芯子下喷金面14b通过第七连接铜板与负电极铜板32相连;第七连接铜板的下连接片焊接在第四芯子下喷金面14b上,第七连接铜板的上连接片焊接在负电极铜板32的上端面。
第六连接铜板和第七连接铜板中的电流方向相反,作为优选的,可叠层放置,并在两层连接铜板之间放置聚酰亚胺绝缘膜,不但保证第六连接铜板和第七连接铜板重叠部分之间的绝缘,同时保证第七连接铜板和第一芯子11、第二芯子12、第三芯子13叠合在一起的等电位喷金电极面之间的绝缘。
除了实施例1和实施例2所列举的三个芯子和四个芯子并联的电容器,本发明的电容器内还可以包括4个、5个、6个甚至100个电容器芯子,只要连接各芯子和叠层母排的连接铜板在圆柱形外壳内能够放置,上述电容器均可按照上述方式实现并联连接。
(对比例)
比较电容器A组和B组的指标:
A 组电容器67只按照上述实施例1制造,B组电容器6只按照中国专利文献CN 201725688U制造。
A组电容器和B组电容器均具有Φ116×H262的圆柱形铝外壳,均为三芯层叠并联结构,而且使用相同规格的金属化膜,额定电压均为700VDC,额定电容量均为2400uF。
A、B两组电容器在电容量测试、电极间耐压测试、壳极间耐压测试(4000VAC)等方面均符合要求,其重要指标10KHZ时的等效串联电阻和自身电感的测量数据列表如下(测量仪器TH2818):
  由上述检测结果,可以明显看到本发明电容器指标的提升,具有优良的低电感低等效串联电阻特性。
在A组67只产品生产过程中,任抽1只在上、中、下三个芯子的中心位置安装三根测温传感器,而后产品通过10KHz 、100Arms高频大电流进行温升试验,电容器芯内温升最大值为6.3℃。而B组6只样品中的一只,做10KHz 、95Arms试验时,电容器芯内温升最大值达到19.3℃。2组电容器温升最大值均为上芯即第一芯子11的中心位置。
 综上,本发明电容器结构简单,实施方便,电容器性能优良,关键指标等效串联电阻ESR和自身电感Lself尤其突出,得到很大提高,特别适合于高要求、大尺寸、大容量的场合应用,不仅电容器自身的长寿命可靠应用有了保证,其很低的自身电感对于功率模块IGBT也具有良好的保护作用。
根据客户的要求,我们按照本发明的实施方式,在相同外壳尺寸(Φ116×H262)条件下,制造了1200VDC1000uF电容器产品30只,产品设计增加了介质厚度,满足额定电压的要求;鉴于客户要求ESR和Lself指标均达到上述A组2400uF的水平,电容器在设计上采用了实施例2的4芯子层叠并联的结构(见图8)。产品测量数据显示,ESR和Lself均略优于上述A组67只2400uF产品的水平。
以上各实施例及应用例是对本发明的具体实施方式的说明,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案,因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,包括数量≥2个芯子(1)、连接铜板(2)、填充材料和圆柱形壳,其特征在于:还包括叠层母排(3)和绝缘膜(4);电容器的引出电极与叠层母排(3)连接,连接铜板(2)设置在芯子(1)的外侧面上,叠层母排(3)与各芯子(1)的喷金电极面之间由连接铜板(2)连接,并且各芯子(1)之间为电气并联结构。
2.根据权利要求1所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:连接铜板(2)由连接段(2a)和连接片(2b)组成,连接段(2a)的两端分别设置一个连接片(2b);连接段(2a)为长条形,其截面为圆弧形,连接段(2a)的内侧表面与芯子(1)的圆柱形外侧面贴合设置。
3.根据权利要求1所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:叠层母排(3)中上面的一块铜板为正电极铜板(31),下面的一块则为负电极铜板(32),负电极铜板(32)和其下方的第一芯子(11)上喷金电极面直接焊接。
4.根据权利要求1所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:各芯子(1)的上下两个喷金电极面由各自的连接铜板(2)连接在叠层母排(3)的对应电极铜板上。
5.根据权利要求1所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:连接铜板(2)连接各芯子(1)的上下喷金电极面和叠层母排(3)对应的电极铜板时,两块连接铜板中电流方向相反时,两块连接铜板(2)层叠设置形成Busbar结构。
6.根据权利要求5所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:层叠的两块连接铜板(2)之间设置绝缘膜(4)以实现绝缘。
7.根据权利要求6所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:各个连接铜板(2)在经过有电位差的地方时,其对应位置的内壁上设置绝缘膜(4)以确保绝缘。
8.根据权利1至7之一所述的具有低电感低等效串联电阻特性的金属化膜滤波电容器,其特征在于:所述圆柱形壳为圆柱形铝壳或圆柱形塑料壳。
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