CN106030737B - 薄膜电容器和连结型电容器、以及逆变器、电动车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使在产生自愈现象之后也能够抑制静电电容的降低的薄膜电容器。一种薄膜电容器，在介电膜的主面具备电极膜，其中，介电膜包含有机树脂和挥发性比该有机树脂高的有机成分。另外，作为有机树脂，优选为环烯烃类树脂、聚芳酯树脂、聚苯醚树脂以及聚醚酰亚胺树脂中的任一种，作为有机成分，优选为选自环己烷、乙基环己烷、甲苯、二甲苯、氯仿以及四氢呋喃的至少一种。

Description

薄膜电容器和连结型电容器、以及逆变器、电动车辆
技术领域
本发明涉及薄膜电容器和连结型电容器、以及使用了它们的逆变器、电动车辆。
背景技术
薄膜电容器是使用在介电膜的两个主面蒸镀铝等金属作为电极膜的金属化膜制作的，因为能够通过电极膜特有的自愈现象来降低击穿，所以一直被广泛使用。在此，自愈现象是指，在介电膜的绝缘缺陷部存在产生短路的危险的情况下，通过短路的能量使缺陷部周围的电极膜蒸发、飞散，由此防止在介电膜中成为绝缘缺陷部的位置的短路，使电容器的功能恢复的现象。
在该情况下，因为介电膜通常通过以机械方式拉伸不包含溶剂的有机树脂来形成的延伸法进行制造，所以作为适合该成型法的有机树脂可选择聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-78168号公报
发明内容
发明要解决的课题
可是，在以往的介电膜中，产生自愈现象之后的电极膜中的金属成分蒸发、飞散的部分的面积大，从而存在薄膜电容器的静电电容大幅降低的问题。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供一种即使在产生自愈现象之后也能够抑制静电电容的降低的薄膜电容器和连结型电容器、以及使用了它们的逆变器、电动车辆。
用于解决课题的技术方案
本发明的薄膜电容器在介电膜的主面具备电极膜，其中，所述介电膜包含有机树脂和挥发性比该有机树脂高的有机成分。
在本发明的连结型电容器中，通过母线连接有多个上述的薄膜电容器。
本发明的逆变器具备由开关元件构成的电桥电路和与该电桥电路连接的电容部，其中，所述电容部由上述的薄膜电容器或连结型电容器构成。
本发明的电动车辆具备电源、与该电源连接的逆变器、与该逆变器连接的电动机以及由该电动机进行驱动的车轮，其中，所述逆变器由上述的逆变器构成。
发明效果
根据本发明，即使在产生自愈现象之后也能够抑制静电电容的降低。
附图说明
图1(a)是示意性地示出在介电膜的两个主面具有电极膜的结构的剖视图，图1(b)是示意性地示出薄膜电容器的第一实施方式的结构的外观立体图。
图2是示意性地示出薄膜电容器的第二实施方式的结构的展开立体图。
图3是示意性地示出连结型电容器的一个实施方式的结构的立体图。
图4是用于说明逆变器的一个实施方式的结构的概略结构图。
图5是示出电动车辆的一个实施方式的概略结构图。
图6是对实施例中的试样No.13进行气相色谱分析的结果。
具体实施方式
图1(a)是示意性地示出在介电膜的两个主面具有电极膜的结构的剖视图，图1(b)是示意性地示出薄膜电容器的第一实施方式的结构的外观立体图。
图1(b)所示的第一实施方式的薄膜电容器A将具有主体部6并在该主体部6设置有外部电极7的结构作为基本结构，并且根据需要设置有引线9，该主体部6层叠有多层金属化膜5，该金属化膜5如图1(a)所示地在介电膜1的两个主面具备电极膜3。
在该情况下，从绝缘性和耐环境性的方面考虑，主体部6、外部电极7以及引线9的一部分可以根据需要被封装构件10所覆盖。
在此，在第一实施方式的薄膜电容器A中，介电膜1包含有机树脂1a和挥发性比有机树脂1a高的有机成分1b。
根据第一实施方式的薄膜电容器A，因为在构成介电膜1的有机树脂1a中包含挥发性高的有机成分1b，所以在介电膜1中局部性地产生击穿时，包含在介电膜1的内部的有机成分1b会由于击穿时的热而挥发，因此能够提高电极膜3飞散的速度。这样，能够在介电膜1形成了绝缘性降低的部分时缩短从在介电膜1的主面具备电极膜3的正常的状态到电极膜3的一部分消失为止的时间，因此能够避免在介电膜1的绝缘性降低的部分长时间施加电压的状态。由此能够减小介电膜1和电极膜3受损伤的面积。其结果是，能够在薄膜电容器A产生自愈现象的情况下抑制静电电容的降低。
由于这样的原因，第一实施方式的薄膜电容器A的自愈功能优异。例如，在通过反复进行电压的升压、降压来评价自愈功能时，稳定程度达到能够反复进行3次以上电压的升压、降压的程度。
在此，挥发性比有机树脂1a高是指，例如在对介电膜1进行气相色谱分析时与有机树脂1a相比在更低的能量或更低的温度条件下气化而被检测到的情况。
像这样，介电膜1包含的有机成分1b能够通过气相色谱分析进行检测，在进一步明确与有机树脂1a的成分的区别的情况下，可以使用如下方法，即，在将介电膜1在室温附近的温度进行1～2天左右的真空处理之后进行气相色谱分析，并根据与在未进行真空处理的情况下进行气相色谱分析的试样的区别进行判定。
在第一实施方式的薄膜电容器A中，作为用于介电膜1的有机树脂1a，优选环烯烃类树脂。环烯烃类树脂除了极性低、耐受电压特性高以外，与聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等结晶性的树脂相比，能够在像介电膜1被施加电压而被击穿那样的情况下降低局部性地熔融时的粘度，因此能够将薄膜电容器的耐受电压提高至650V/μm以上。
作为环烯烃类树脂，优选为具有降冰片烯环的单体的开环聚合物或环烯烃的加成共聚物。其中，从耐受电压高的方面考虑，尤其优选具有降冰片烯环的单体的开环聚合物。
此外，第一实施方式中的介电膜1可以代替上述的环烯烃类树脂而同样地应用聚芳酯类树脂、聚苯醚类树脂以及聚醚酰亚胺类树脂中的任一种。在介电膜1中应用了这些聚芳酯类树脂、聚苯醚类树脂以及聚醚酰亚胺类树脂中的任一种有机树脂1a的情况下，能够提高高温负荷寿命。此外，能够减小对薄膜电容器A施加直流电压时的静电电容的降低(以下，有时称为DC偏置特性。)。
在此，环烯烃类树脂等中附加的“类”是指，上述的各高分子化合物在介电膜1中作为主成分而被包含。主成分是指，介电膜1中所包含的有机树脂1a中的体积比例最多的成分，作为该比例的基准为60体积％以上。
作为有机成分1b，优选为选自环己烷、乙基环己烷、甲苯、二甲苯、氯仿以及四氢呋喃的组的至少一种。这是因为，这些有机成分1b容易使环烯烃类树脂、聚芳酯类树脂、聚苯醚类树脂以及聚醚酰亚胺类树脂等高分子化合物溶解。
此外，这些有机成分1b在包含于有机树脂1a的情况下容易被封闭在有机树脂1a内，且容易成为牢固地附着于有机树脂1a的状态，因此能够将有机成分1b长期保持在介电膜1中。其结果是，能够得到在长期间内变质少且特性稳定的薄膜电容器A。
对于上述的有机树脂1a分别存在优选的有机成分1b的组合，对于环烯烃类树脂，优选环己烷、乙基环己烷、甲苯、二甲苯以及环己烷与乙基环己烷的混合物中的任一种。在该情况下，能够提高介电膜1的耐受电压。
对于聚芳酯类树脂，优选甲苯、四氢呋喃以及N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的任一种，对于聚苯醚类树脂或聚醚酰亚胺类树脂，优选氯仿。在这些情况下，能够提高介电膜1的高温负荷寿命。
优选有机成分1b的沸点(Tb)比上述的有机树脂1a的玻璃化转变点(Tg)低。以环烯烃类树脂为例，环烯烃类树脂的玻璃化转变点(Tg)为150～180℃，作为所使用的有机成分1b的沸点(Tb)，比环烯烃类树脂的玻璃化转变点(Tg)低10～120℃左右为佳，优选为60～170℃。对于作为环烯烃类树脂以外的有机树脂1a的聚芳酯类树脂、聚苯醚类树脂以及聚醚酰亚胺类树脂，也优选有机树脂1a的玻璃化转变点(Tg)与有机成分的沸点(Tb)的温度差在同样的范围内。另外，从有机成分1b容易长期残留在有机树脂1a(介电膜1)中的方面考虑，优选有机成分1b的沸点(Tb)高。
另外，在作为有机树脂而使用了环烯烃类树脂、聚苯醚类树脂、聚醚酰亚胺类树脂以及聚芳酯类树脂的情况下，介电膜1包含的有机成分1b的含量优选为0.01～7质量％。当介电膜1包含的有机成分1b的含量在上述的范围内时，能够将介电膜1的相对介电常数的降低抑制在10％以内，因此能够减小产生了自愈现象之后的静电电容的降低。
作为应用于第一实施方式的薄膜电容器A的电极膜3的材料，代替铝，由锌或它们的合金构成的材料也是优选的。此外，作为金属喷镀电极的材料，优选为选自铝、铜以及焊锡的一种金属材料。
第一实施方式的薄膜电容器在上述的介电膜1的主面具有电极膜3，只要将其作为基本结构，即使将两组在介电膜1的单面具有电极膜3的金属化膜重叠而进行卷绕，也能够得到与上述的薄膜电容器A同样的效果。
图2是示意性地示出薄膜电容器的第二实施方式的结构的展开立体图。在第二实施方式的薄膜电容器B中，在由卷绕的金属化膜11a、11b构成的主体部13的对置的端面作为外部电极15a、15b设置有金属喷镀电极。另外，为了便于理解，在图2中将引出的介电膜17a、17b和电极膜19a、19b表现为越接近纸面的这边厚度越厚。
金属化膜11a、11b是在介电膜17a、17b的主面分别具有电极膜19a、19b的结构。在该情况下，电极膜19a、19b形成为，在介电膜17a、17b的宽度方向的一端侧在长度寸方向上连续地留有在该介电膜17a、17b中成为露出部分的未形成电极膜19a、19b的部分(以下，有时称为电极膜未形成部20a、20b。)。
金属化膜11a、11b是如下状态，即，电极膜未形成部20a、20b配置为在介电膜17a、17b的宽度方向上彼此位于相反方向，从而使电极膜19a、19b错开。
即，在薄膜电容器B中，如图2所示，重叠地卷绕有由介电膜17a和电极膜19a构成的金属化膜11a以及由介电膜17b和电极膜19b构成的金属化膜11b。
图3是示意性地示出连结型电容器的一个实施方式的结构的立体图。为了便于理解结构，在图3中省略了壳体和模制(mold)用的树脂。本实施方式的连结型电容器C为通过一对母线21、23并联连接有多个薄膜电容器B的结构。母线21、23由外部连接用的端子部21a、23a和分别与薄膜电容器B的外部电极15a、15b连接的引出端子部21b、23b构成。
当在连结型电容器C中应用上述的薄膜电容器B时，能够得到即使在产生自愈现象之后也能够抑制静电电容的降低的连结型电容器C。
另外，虽然图3所示的连结型电容器C将薄膜电容器B配置在剖面的长轴方向上，但是除此以外，即使是将薄膜电容器B在剖面的短轴方向上进行堆积的结构也能够得到同样的效果。
图4是用于说明逆变器的一个实施方式的结构的概略结构图。在图4中示出了从直流产生交流的逆变器D的例子。如图4所示，本实施方式的逆变器D为具备电桥电路31和电容部33的结构，电桥电路31由开关元件(例如，IGBT(Insulated gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管))和二极管构成，电容部33为了使电压稳定化而配置在电桥电路31的输入端子间。在此，作为电容部33可应用上述的薄膜电容器B或连结型电容器C。
另外，该逆变器D与对直流电源的电压进行升压的升压电路35连接。另一方面，电桥电路31与作为驱动源的电动发电机(电动机M)连接。
图5是示出电动车辆的一个实施方式的概略结构图。在图5中，作为电动车辆E示出了混合动力汽车(HEV)的例子。
图5中的标号41是驱动用的电动机，43是发动机，45是传动装置(transmission)，47是逆变器，49是电源(电池)，51a、51b是前轮和后轮。
该电动车辆E主要具备作为驱动源将电动机41或发动机43、或者两者的输出经由传动装置45传递给左右一对前轮51a的功能，电源49经由逆变器47与电动机41连接。
此外，在图5所示的电动车辆E设置有对电动车辆E整体进行总体控制的车辆ECU53。点火开关55、未图示的油门踏板、制动器等的来自电动车辆E的与驾驶员等的操作相应的驱动信号输入到车辆ECU53。该车辆ECU53基于该驱动信号将指令信号输出到发动机ECU57、电源49以及作为负载的逆变器47。发动机ECU57响应指令信号对发动机43的转速进行控制，从而驱动电动车辆E。
当将作为电容部33而应用了本实施方式的薄膜电容器B或连结型电容器C的逆变器D搭载到例如如图5所示的电动车辆E时，因为薄膜电容器B或连结型电容器C即使在产生自愈现象之后也能够抑制静电电容的降低，所以能够使搭载于电动车辆的ECU等控制装置的电流控制更稳定。
另外，本实施方式的逆变器D不仅能够应用于上述的混合动力汽车(HEV)，还能够应用于电动汽车(EV)、燃料电池车或电动自行车、发电机、太阳能电池等各种电力变换应用产品。
接着，以第二实施方式的薄膜电容器B为例对其制造方法进行说明。首先，准备作为介电膜1的母材的有机树脂1a。作为有机树脂1a，优选为选自环烯烃类树脂、聚芳酯类树脂、聚苯醚类树脂以及聚醚酰亚胺类树脂的一种高分子化合物。作为用于使高分子化合物浆化的溶剂，准备选自环己烷、乙基环己烷、甲苯、二甲苯、氯仿以及四氢呋喃的一种。这些溶剂成为介电膜1包含的有机成分1b。
在形成介电膜1的情况下，例如，作为基材准备PET膜，将上述的高分子化合物溶解于特定的溶剂而调制成浆状，将其在PET膜上进行成膜，并在40～180℃经过1小时左右的干燥工序而得到介电膜1。另外，在成膜中使用选自刮刀法、模压式涂布机法以及刮刀式涂布机法等的一种成型法。
接着，在得到的介电膜1的表面蒸镀Al(铝)等金属成分，从而形成电极膜3，然后，准备两组形成有电极膜3的介电膜1，如图2所示地进行卷绕而得到薄膜电容器B的主体部13。
接着，在主体部13的露出有电极膜3的端面作为外部电极15a、15b而形成金属喷镀电极。在外部电极15a、15b的形成中，优选例如金属的热喷涂、溅射法、镀敷法等。然后，在形成有外部电极15a、15b的主体部13的表面用封装构件进行封装，从而能够得到本实施方式的薄膜电容器B。
做成排列有多个(在本实施方式中为4个)薄膜电容器B的状态，经由接合材料将母线21、23安装到分别形成在主体部13的两端的外部电极15a、15b，从而能够得到连结型电容器C。
另外，在将连结型电容器C形成为用树脂进行模制的类型的情况下，将安装母线21、23而进行连结的薄膜电容器B放入到壳体，然后在壳体内填充树脂，从而完成制作。
实施例
以下，制作薄膜电容器并进行评价。首先，作为用于形成介电膜的有机树脂和成为有机成分的溶剂，准备表1所示的物质。在此，作为环烯烃类树脂，使用了降冰片烯类的开环聚合物(日本瑞翁株式会社制造的ZEONOR(注册商标)1600)和降冰片烯类的加成共聚物(宝理塑料株式会社制造的TOPAS(注册商标)6017)。此外，作为聚苯醚类树脂准备了旭化成公司制造的XYRON，作为聚醚酰亚胺类树脂准备了SABIC Innovative Plastics公司制造的STM1700。作为聚芳酯类树脂，准备了将聚酯作为主骨架的高分子化合物。
接着，混合上述的有机树脂和溶剂，从而调制由以大约15质量％的比例包含有机树脂的有机载体构成的浆料。
接着，使用涂抹器将调制的浆料涂敷在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制的基材上，并利用热风干燥机进行干燥处理而制作介电膜。此时，根据试样来改变干燥温度。温度设为50℃或170℃。介电膜的平均厚度为5μm。
通过在得到的介电膜的表面蒸镀铝，从而制作金属化膜，然后将制作的金属化膜进行卷绕，从而制作如图2所示的圆柱状的薄膜电容器。制作的薄膜电容器的尺寸为直径5mm、高度100mm。铝蒸镀膜的厚度设定为平均50nm。
首先，对制作的薄膜电容器测定有机成分的含量。将作为介电膜的试样与标准液一同提取到烧瓶中调制为测定溶液，然后使用气相色谱仪(岛津制作所制造的GC-14A)对有机成分的含量进行分析。另外，作为进行定量分析的情况下的标准液，使用二甲苯或四氢呋喃(THF)。作为试样中的有机成分，检测到用于溶解有机树脂的各种溶剂。
接着，在对制作的薄膜电容器评价如下所示的作为自愈功能的评价的SH(SelfHealing：自愈)性的同时测定静电电容的变化率。此外，评价耐受电压。进而，测定高温负荷寿命。
以如下方式制作试样并评价SH性。首先，从制作的薄膜电容器切出介电膜，对其实施加工，使得在介电膜的两个主面分别留下直径为大约50mm、38mm的铝电极膜。
作为SH性的评价装置，使用了在直流DC高电压测试机(菊水电子工业制造)设置有电极系统的装置，该电极系统构成为电极板与直径为50mm的对置电极板相合，该电极板设置有外径为50mm且内径为39mm的环状保护电极和设置在该环状保护电极的内侧的外径为38mm的圆形的主电极。
在该情况下，进行夹入，使得在金属化膜中，直径为38mm的电极膜处于具备环状保护电极和主电极的电极板侧，并且使得直径为50mm的电极膜处于直径为50mm的对置电极板侧。这些电极膜、电极板以及对置电极板配置为中心轴对齐。
在评价SH性时，使直流高电压测试机以升压速度为100V/秒的速度进行升压而升压至流过过电流而使升压停止的极限点。在达到极限点之后，将电压返回至0V，再次进行升压。在该情况下，如果电压上升则继续升压，反复相同的操作，对直至不能进行升压为止的次数进行计数。将该次数为3次以上的情况判断为SH性良好并评价为“○”，将该次数为1～2次的情况评价为“△”，将该次数为0次的情况评价为“×”，并记入表1。此外，在评价SH性前后使用LCR测试仪测定频率为1KHz、电压为1V的静电电容，并按照下式求出其变化率CV。在该情况下，静电电容的变化率设为绝对值。在将评价SH性之前的静电电容设为C0并将评价SH性之后的静电电容设为Cs时，求出变化率CV的式子为
CV＝(Cs-C0)×100/C0。
此外，对制作的薄膜电容器测定耐受电压。耐受电压使用绝缘电阻计根据漏电流达到0.5A时的电压求出。
在高温负荷寿命的试验中，将从薄膜电容器切出的金属化膜作为测定用试样使用。试样的尺寸加工成使电容形成部的面积为1.5×1.5mm2。在试验中将制作的试样放入到110℃的高温槽，在放置90分钟之后，使直流高电压测试机以升压速度为100V/秒的速度进行升压，从而使其达到规定的电场。将到达规定的电场之后直至击穿(短路)为止的时间(首次击穿)作为寿命。
作为比较例的有机树脂，准备聚对苯二甲酸乙二醇酯(东丽公司制造的Lumirror)和聚丙烯(东丽公司制造的Torayfan)并制作试样，同样地进行评价。
[表1]
*：ε：相对介电常数；DE：击穿电压
在作为介电膜的有机树脂而应用环烯烃类树脂并且包含有机成分的试样No.3～11中，SH性评价前后的静电电容的变化率为9％以下。
在这些试样之中，在有机成分的含量为0.1～7质量％的试样No.4～8、10以及11中，SH性评价均突破3次，而且耐受电压为706V/μm以上。
进而，在作为有机成分而含有环己烷或甲苯中的任一种的试样(试样No.5、7以及10)中，耐受电压为732V/μm以上。
此外，在作为介电膜的有机树脂而应用了聚芳酯类树脂、聚苯醚类树脂以及聚醚酰亚胺类树脂中的任一种的试样(试样No.12～20)的情况下，也确认到介电膜中以0.01～5质量％的范围包含有机成分，在这些试样中，SH性评价前后的静电电容的变化率也小至8％以下。
在这些试样之中，作为介电膜的有机树脂而应用了聚芳酯类树脂的试样(试样No.12～16)的高温负荷寿命优秀，任一个试样均为9.5小时以上。
图6是对试样No.13进行气相色谱分析的结果。检测到与在介电膜中使用的溶剂相同种类的有机成分(甲苯)。
相对于此，在介电膜中不包含有机成分的试样(试样No.1、2)的情况下，SH性评价前后的静电电容的变化率为11％以上。
标号说明
A、B：薄膜电容器；
C：连结型电容器；
D：逆变器；
E：电动车辆；
1、17a、17b：介电膜；
1a：有机树脂；
1b：有机成分；
3、19a、19b：电极膜；
5、11a、11b：金属化膜；
6：主体部；
7、15a、15b：外部电极；
9：引线；
10：封装构件；
21、23：母线；
31：电桥电路；
33：电容部；
35：升压电路；
41：电动机；
43：发动机；
45：传动装置；
47：逆变器；
49：电源；
51a：前轮；
51b：后轮；
53：车辆ECU；
55：点火开关；
57：发动机ECU。

Claims (8)

1.一种薄膜电容器，在介电膜的主面具备电极膜，所述薄膜电容器的特征在于，
所述介电膜包含有机树脂和挥发性比该有机树脂高的有机成分，
所述有机树脂为环烯烃类树脂，
所述有机成分为环己烷、乙基环己烷、甲苯、二甲苯以及环己烷与甲苯的混合物中的任一种，
所述介电膜包含的所述有机成分的含量为0.01～7质量％。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，
所述环烯烃类树脂为开环聚合物或加成共聚物。
3.一种薄膜电容器，在介电膜的主面具备电极膜，所述薄膜电容器的特征在于，
所述介电膜包含有机树脂和挥发性比该有机树脂高的有机成分，
所述有机树脂为聚芳酯树脂，
所述有机成分为甲苯、四氢呋喃以及N-甲基吡咯烷酮中的任一种，
所述介电膜包含的所述有机成分的含量为0.01～7质量％。
4.一种薄膜电容器，在介电膜的主面具备电极膜，所述薄膜电容器的特征在于，
所述介电膜包含有机树脂和挥发性比该有机树脂高的有机成分，
所述有机树脂为聚苯醚树脂或聚醚酰亚胺树脂，
所述有机成分为氯仿，
所述介电膜包含的所述有机成分的含量为0.01～7质量％。
5.一种连结型电容器，其特征在于，
通过母线连接有多个权利要求1至4中的任一项所述的薄膜电容器。
6.一种逆变器，具备：电桥电路，由开关元件构成；以及电容部，与该电桥电路连接，所述逆变器的特征在于，
所述电容部是权利要求1至4中的任一项所述的薄膜电容器。
7.一种逆变器，具备：电桥电路，由开关元件构成；以及电容部，与该电桥电路连接，所述逆变器的特征在于，
所述电容部是权利要求5所述的连结型电容器。
8.一种电动车辆，具备：电源；逆变器，与该电源连接；电动机，与该逆变器连接；以及车轮，由该电动机进行驱动，所述电动车辆的特征在于，
所述逆变器为权利要求6或权利要求7所述的逆变器。
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