CN107204241A

CN107204241A - 一种变频功率电子电容器

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Publication number: CN107204241A
Application number: CN201611127260.0A
Authority: CN
Inventors: 董海鹰; 李天炀; 徐志超; 谭建国; 王宝森; 竺越; 胡忠胜; 董鸽芸
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-09-26

Abstract

本发明一种变频功率电子电容器，涉及有机介质固定电容器技术领域，包括外壳，外壳内设置有芯体，芯体两端连接喷金层，喷金层外侧连接焊片、TC线、CP线、护套线，所述外壳内填充有填充料，外壳采用高频涡流发热很小的非铁磁材质外壳，锌铝金属材料为导电介质。本发明芯体中心处理后散热明显，对整个电容器在使用过程中的发热散热技术提前应对，寿命更长；采用低ESL和低ESR技术，适应高频、大电流工作环境，减小自感和等效串联电阻，降低发热损耗；提高高频下的局部放电电压和改善散热条件，高频性能更加优良，寿命更长，且可以抑制谐波对电力设备绝缘产生加速老化效应，避免谐波叠加后的电压峰值对金属化膜电容器老化带来的影响。

Description

一种变频功率电子电容器

技术领域

本发明涉及一种变频功率电子电容器，属于微波电路技术领域。

背景技术

变频节能全固态微型化中频、高频、超音频感应加热设备、大功率开关电源及专用自动控制系统等广泛应用于空调等家用电器、航空、军工制造、有色金属的加热、热处理气淬火、退火调质、钎焊、热锻、标准件生产、机械制造等广泛领域得到了普遍应用，是目前国家大力推广的节能环保产品。采用特殊功率元器件及独特的逆变技术，输出振荡频率最高可达400KHZ，特别适合小型金属物品的快速加热等：输出振荡功率20～160KVA；输出振荡频率30～150KHz；输出振荡电流200～2000A。与这些高频感应加热设备与之配套的关键串联谐振电容器获得了良好的发展空间和机遇，就其设计、工艺、质量水平都有较大差异。

目前使用的空调控制器上的电解电容器主要存在设计方面不合理，外壳结构材料选用不当，体积大，工作频率受到限制；高频参数性能差，固有电感较大，阻抗频率特性和等效串联电阻大；当高频电流提高时，有功功率的消耗也增加，电容器发热、寿命缩短，发热温升突破了热平衡造成热击穿；工艺落后，一致性差、寿命短、电解电容器的环保问题也很差。

空调的特点是能用于制冷制热，环保、热泵高效化等，但是，随着使用时间、使用台数的增加，空调的用电量达到了家庭总耗电量的25％，因此从消费者降低年度耗电量和防止全球变暖的观点而言，省电这一需求正在日益增长，而变频空调是根据设定温度与室温的差，按其相应的转速来驱动压缩机，其中一大半的使用时间都是在额定一半以下的转速(部分负载)下运行。因此，对于变频产生的电源谐波，限制要比日本严。因此，在电路设计时，通过加大电抗器的容量、增加PFC电路等措施来解决电源谐波的问题，这也是导致变频成本高的原因之一。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种变频功率电子电容器，即一种以金属化锌铝材料为导电电极，以聚丙烯薄膜为介质的高频聚丙烯薄膜介质谐振电容器，降低发热损耗；提高高频下的局部放电电压和改善散热条件，高频性能更加优良，寿命更长。

本发明解决的技术方案为：一种变频功率电子电容器，包括：焊片、TC线、CP线、护套线、外壳、喷金层、芯体；

外壳为中空腔体，一端设有开口；

芯体设置在外壳内，芯体两端连接喷金层；喷金层内侧与芯体连接，每个喷金层外侧各设有并列平行的焊片、TC线、CP线、护套线，焊片、TC线、CP线、护套线的一端通过喷金层连接，焊片、TC线、CP线、护套线的另一端从外壳的开口一端伸出；

外壳内填充有填充料。

所述外壳采用高频涡流发热很小的非铁磁材质，如塑料等。

所述芯体以聚丙烯薄膜为介质。

所述外壳采用非金属外壳。

所述变频功率电子电容器采用阻燃等级UL94-5VA、密度1.75g/cm3～3g/cm3的环氧树脂或聚氨酯材料进行封装。

所述焊片、TC线、CP线、护套线从外壳的开口一端伸出的另一端作为电容器的引脚，采用金属材质。

所述引脚采用金属材料制造而成。

所述喷金层的材料为喷涂金属材料，采用锌、锡等金属材料；

所述填充料采用阻燃等级UL94-5VA、密度1.75g/cm3～3g/cm3的环氧树脂或聚氨酯材料。

所述芯体与外壳底部的距离取值优选范围为1.5mm～3mm，且喷金层与外壳内壁的距离优选取值范围为1.5mm～3mm。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明的变频功率电子电容器应用到家用空调上，可以满足国际标准的电源谐波限制。

(2)本发明的变频功率电子电容器成本低可以向全球市场推广，以降低变频空调的成本，能够为变频空调的普及、以及降低年度耗电量做出很大的贡献。

(3)本发明的变频功率电子电容器搭载实现的“变频空调无电解电容驱动关键技术研究与产业化”项目顺利通过了专家的会审，经专家评议，项目技术均达到国际领先水平，项目技术指标完成较好，经济和社会效益显著，技术具有很好的创新性。

(4)本发明针对无电解电容驱动技术在功率范围、电流谐波、振动抑制等方面存在的技术难题取得了多项技术突破，解决了无电解电容驱动技术在变频空调应用中所面临的重要技术难题，使变频空调器的性价比显著提升，将引领空调行业的又一重大变革。

(5)本发明的变频功率电子电容器提升了变频空调的效率，为绿色、低碳环境做出了贡献，引领了家电变频化、节能化的发展趋势，每年可为国家节省数十GW(GW代表功率的单位)的发电量、上百亿的电力支出。

(6)本发明内部结构更加合理，采用低ESL和低ESR技术，适应高频、大电流，减小自感和等效串联电阻，降低发热损耗；提高高频下的局部放电电压和改善散热条件，高频性能更加优良，寿命更长。

(7)本发明提出了可以同时解决变频降成本和满足谐波标准的无电解电容变频器这一方案，SPW和MPS电路，本发明不使用大型/高成本的电解电容、电抗器、PFC电路，通过变频控制来减少输入电流的谐波成分，可满足全球最严的电源谐波标准。

(8)本发明的电容器的省电效果很大，能够结合使用永磁电机，使使用本发明的电容器的变频空调的年度耗电量降低30～40％。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提供一种变频功率电子电容器，涉及有机介质固定电容器技术领域，包括外壳，外壳内设置有芯体，芯体两端连接喷金层，喷金层外侧连接焊片、TC线、CP线、护套线，所述外壳内填充有填充料(环氧树脂、聚氨酯等材料)，外壳采用高频涡流发热很小的非铁磁材质外壳，如塑料外壳，芯体以聚丙烯薄膜为介质，以锌铝金属材料为导电电极。本发明内部结构更加合理，采用低ESL和低ESR技术，适应高频、大电流工作环境，减小自感和等效串联电阻，降低发热损耗；提高高频下的局部放电电压和改善散热条件，高频性能更加优良，寿命更长，且本发明可以抑制谐波对电力设备绝缘产生加速老化效应，避免谐波叠加后的电压峰值对金属化膜电容器老化带来的影响。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，一种变频功率电子电容器，其特征在于包括：焊片1、外壳2、喷金层3、芯体4；

外壳2为中空腔体，一端设有开口，外壳2可采用高频涡流发热很小的非铁磁材质，如塑料外壳2也可采用非金属外壳。

芯体4设置在外壳2内，芯体4优选以聚丙烯薄膜为介质，芯体4形状优选为内置塑料骨架的圆柱体或压扁的长方体、芯体尺寸能够根据产品的容量设计定制，芯体优选使用的金属化聚丙烯薄膜的厚度为2.5μm～7μm。芯体4两端连接喷金层3；喷金层3内侧与芯体4连接，每个喷金层3外侧各设有并列平行的焊片、TC线、CP线、护套线，焊片、TC线、CP线、护套线1，焊片、TC线、CP线、护套线的一端通过喷金层连接3，焊片、TC线、CP线、护套线的另一端从外壳2的开口一端伸出，优选方案为：TC线和CP线，TC线和CP线外设有护套线1，TC线、CP线的一端通过焊片连接喷金层3，TC线、CP线的另一端从外壳2的开口一端伸出；焊片、TC线、CP线、护套线从外壳2的开口一端伸出的另一端作为电容器的引脚，采用金属材质，引脚优选采用锌或者铝质材料制造而成。焊片、TC线、CP线、护套线1与喷金层3的接触面积的优选比值在1/6～1/8，且焊片1的厚度优选在0.5～2mm(187#、250#等)以上(优选含镀锌铜镍层)，能够有效提高高频下的局部放电电压、改善散热条件、耐盐雾腐蚀条件、导电率高等条件，高频性能更加优良、电损耗小，寿命更长。芯体为圆柱体时，喷金层厚度优选值为：(芯体直径/2)*(芯体直径/2)*3.14*0.0068/0.2～(芯体直径/2)*(芯体直径/2)*3.14*0.0068/2；外壳2内填充有填充料5，填充料5为环氧树脂或聚氨酯等材料；喷金层3的材料为喷涂金属材料，采用锌、锡等金属材料；喷金层3的厚度优选范围0.5mm～1mm、密度优选范围为6g/cm³～9g/cm³，该优选方案使电容器在功率范围选择(50～60Hz)、电流谐波抑制、振动抑制等方面性能大幅提高。改善由于芯体接触电阻过高而导致的电容器早期失效等问题，提高电容器的使用寿命，大大改善使用此电容器的整机的使用寿命由元件导致的问题缩小。

芯体4与外壳底部的距离取值优选范围为1.5mm～3mm，喷金层3与外壳内壁的距离优选取值范围为1.5mm～3mm，该优选方案能够使填充料5在芯体4与外壳底部之间、喷金层3与外壳内壁之间产生最大化的作用，能够进一步有效提高高频下的局部放电电压和改善散热条件。

芯体直径优选为：SQRT(((2550*薄膜厚度*薄膜厚度*电容器容量μF))/(39.4*(薄膜宽度-P1)))+40)至SQRT(((2550*薄膜厚度*薄膜厚度*电容器容量μF))/(39.4*(薄膜宽度-P1)))+30)，匹配参数P1取5～10，电容器容量取1～100μF，式中所述薄膜为芯体4的介质聚丙烯薄膜；这种优选方案能够提高金属化聚丙烯安全保险丝薄膜小型化寿命制作电容器工艺的难点，改善现有薄膜电容器早期寿命失效等问题，尤其适用于变频控制器和变频空调等家用电器领域。当外壳为长方体、芯体为圆柱体时，填充料环氧树脂或聚氨酯的总填充量优选值为：((外壳长度-q1)*(外壳宽度-q2)*(外壳高度-q3)-(芯体直径+q4)/2*(芯体直径+q5)/2*3.14*(薄膜宽度+q6))*0.0015；确保密封无气泡等问题，长度参数q1取2～5，宽度参数q2取2～5，高度参数q3取1～3，芯体直径参数1：q4取1～3，芯体直径参数2：q5取1～3，薄膜宽度参数：q6取2～5，该优选方案能提高传统产品的密封不良由空气湿气浸入的风险，改善新型设计的安全膜产品早期失效，提高寿命的问题，更安全、环保高效。

本发明的变频功率电子电容器采用阻燃等级UL94-5VA、密度1.75g/cm3～3g/cm3的树脂进行封装；提高传统产品应外部因素导致的失火等问题，改善内部保险装置结构，使其更安全高效环保，寿命长。

本发明的变频功率电子电容器为适应高频、高压、大电流的工作条件，优选采用低等效串联电感(低ESL)和低等效串联电阻(低ESR)技术，其核心就是减小芯子(元件)固有电感、消除芯体和芯体间的电感，使等效串联电感ESL在有限的条件下达到最低；减小高频电流流经的路径，增大电流流经的截面积，降低高频电流密度，使等效串联电阻ESR在有限的条件下降到最低。

经过测试，本发明的变频功率电子电容器的各项额定标准值，见下表1：

表1 本发明的变频功率电子电容器的各项额定标准值

标称电容量	额定工作电压	额定工作频率	最大峰值电流	最大无功功率
					4～100μF	0.45～2kV	1Hz～10kHz	200In	100-500kVar

通过表1体现了本发明的变频功率电子电容器的优点，即在标称电容量下，额定工作电压、额定工作频率、最大峰值电流、最大无功功率使本发明的变频功率电子电容器能够适应高频、大电流，减小自感和等效串联电阻，降低发热损耗：

本发明的电容器的额定电流优选值为：2*π*电容器的容量*工作电压*工作频率*0.000001～2*π*电容器的容量*工作电压*工作频率*0.000003，该优选方案综合考虑了电容器的容量、电压和频率的具体关系，使电容器的额定电流的合理性大幅提高、提高了电损耗率，改善了因为损失的电流部位遇到电阻概率降低，是各种电器变频控制器模块的优选方案。

本发明的芯体使用了高频性能稳定、优质的介质材料，降低了电容器芯体的极板电阻和接触电阻，且降低了固有电感，芯体能完全、彻底浸渍，提高高频下的局部放电电压和改善散热条件；

本发明壳体的材质，使本发明的变频功率电子电容器在高频下不致产生发热；

本变频功率电子电容器特点很多，体积小、容量大、低损耗、高耐压、抗大电流冲击、自愈性能优良、散热性能好、超长使用寿命；

本发明的变频功率电子电容器喷金层4的芯体以聚丙烯薄膜为基膜，锌铝金属材料为导电介质，带有内部安全装置，例如：保险熔丝，菱形、T型等花纹，保险熔丝优选为0.35～0.5mm宽，防爆裂，可以达到IEC60252、GB3667.1-2016、GB17702标准中的S3等级；

另外变频功率电容器是尤其优选用于低压调谐滤波器及低压去谐滤波器的电容器，本发明能够应用于彩电、显示器、LED灯、闪光灯、节能灯、音响、重点应用于空调变频器电路中、UPS…电源等电子设备开关电源电路，具有可靠性高，能承受大纹波电流等特点。电容尺寸可根据顾客要求适当调整，以上是供应变频空调用电容器现在市场上解决谐波问题，主要有低压调谐滤波器及低压去谐滤波器，由于谐波会对电力设备绝缘产生加速老化效应，谐波叠加后的电压峰值对金属化膜电容器老化有很大的影响，本发明的电容器是综合考虑了材料选用，工艺及试验方法等方面的因素，使本发明的电容器成为优选用于低压调谐滤波器及低压去谐滤波器的电容器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims

1.一种变频功率电子电容器，其特征在于包括：焊片、TC线、CP线、护套线(1)、外壳(2)、喷金层(3)、芯体(4)；

外壳(2)为中空腔体，一端设有开口；

芯体(4)设置在外壳(2)内，芯体(4)两端连接喷金层(3)；喷金层(3)内侧与芯体(4)连接，每个喷金层(3)外侧各设有焊片及并列的TC线、CP线、护套线，焊片、TC线、CP线、护套线的一端连接喷金层(3)，焊片、TC线、CP线、护套线的另一端从外壳(2)的开口一端伸出；

外壳(2)内填充有填充料(5)，填充料包括：环氧树脂、聚氨酯材料。

2.根据权利要求1所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述外壳(2)采用高频涡流发热很小的非铁磁材质。

3.根据权利要求1或2所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述芯体(4)以聚丙烯薄膜为介质。

4.根据权利要求1或2所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述外壳(2)采用非金属外壳。

5.根据权利要求1或2所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述变频功率电子电容器采用阻燃等级UL94-5VA、密度1.75g/cm3～3g/cm3的环氧树脂或聚氨酯材料进行封装。

6.根据权利要求1所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述TC线、CP线从外壳(2)的开口一端伸出的另一端作为电容器的引脚。

7.根据权利要求6所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述引脚采用金属材料制造而成。

8.根据权利要求1所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述喷金层(3)的材料为喷涂金属材料，采用锌、锡金属材料。

9.根据权利要求1所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述填充料(5)采用阻燃等级UL94-5VA、密度1.75g/cm3～3g/cm3的环氧树脂或聚氨酯材料。

10.根据权利要求1所述的一种变频功率电子电容器，其特征在于：所述芯体(4)与外壳底部的距离取值优选范围为1.5mm～3mm，且喷金层(3)与外壳内壁的距离优选取值范围为1.5mm～3mm。