CN201725688U - 一种高频率大电流金属化膜滤波电容器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高频率大电流金属化膜滤波电容器，包括电容器外壳，电容器芯子，两个引出电极，所述电容器芯子与电容器外壳之间通过绝缘填充料间隔封装，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分别与两个引出电极实现电连接，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。本实用新型具有承受正反向电压的能力大，电容器的发热损耗功率小，使用寿命长等特点。

Description

一种高频率大电流金属化膜滤波电容器

技术领域

本实用新型属于电子元器件领域，具体涉及一种高频率大电流金属化膜滤波电容器。

背景技术

传统上，电力电子设备的滤波电路均采用电解电容器作为滤波元件，但由于电解电容的介质损耗太大以及承受正反向电压的能力太差，使得其根本无法保证设备的可靠性和长寿命指标。而恰恰在这极为关键的两点，金属化薄膜电容器以其无可比拟的优势必然成为电解电容的理想的升级换代产品。因此，近年来国内外同行均向市场推出了系列产品，而《替代电解电容的膜电容技术》也获得了迅速的发展。

根据金属化薄膜电容器的基本理论，为了有效地提高电容器的ESR指标，重要的措施之一就是增加作为电容器极板的金属化膜的长度而降低它的有效宽度，即卷绕出来的电容器芯子必须呈“矮胖型”结构。再从电容器的发热损耗功率P来看，由于P＝I²rms·ESR(有效值电流的平方和串联等效电阻的乘积)，因此ESR越小，P就越小，电容器在工作时的温升就越低；或者说，在同等发热损耗功率的前提下，电容器允许通过的电流Irms可以加大。所以，尽量提高电容器的ESR指标(降低ESR的数值)，是设计制造高频率大电流滤波电容器追求的重要目标。

但由于传统电解电容器的长期使用，其“瘦长型”的结构形态在行业中已形成了一种惯例，在电路的设计和空间结构的布局中都有相应的、固定的匹配模式，如让“矮胖型”的产品去替代呈“瘦长型”的电解电容器，不仅人们的观念无法接受，重要的是在各种电力电子设备的整机结构上存在着难以解决的矛盾。故目前国际上推出的高频率大电流金属化膜滤波电容器基本都为“瘦长型”结构(图1)。例如：法国AVX(TPC)和美国ECI公司的系列产品。“瘦长型”结构的金属化薄膜电容器与电解电容相比，其ESR指标虽有了很大的提升，但还没有把膜电容的优势充分发挥出来，从综合考虑，效果还不是很理想。

如何兼顾“瘦长型”的外形结构和“矮胖型”薄膜电容器具备的优势是高频率大电流滤波电容器的一大研究方向。

发明内容

针对大功率电力电子设备对滤波电容器高频率大电流的核心要求，本实用新型提供一种“瘦长型”的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其兼顾了上述“矮胖型”结构的性能优势并进一步作了提升，具有承受正反向电压的能力大，电容器的发热损耗功率小，使用寿命长等特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高频率大电流金属化膜滤波电容器，包括电容器外壳，电容器芯子，两个引出电极，所述电容器芯子与电容器外壳之间通过绝缘填充料间隔封装，其特征在于：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分别与两个引出电极实现电连接，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。

为了适应普遍市场的需求，所述各电容器芯子及其电容器外壳呈圆柱状结构。

由于每个电容器芯子两端喷金层的圆周边缘和铝壳壁距离都很近，而且喷金层金属呈微小颗粒状，在边缘处可能存在毛刺，为了提高上述危险区域的绝缘耐压值，保证绝缘性能，所述各电容器芯子侧面套封有热缩套管；所述热缩套管在电容器芯子两端分别留有超出余量，所述热缩套管受热套封后，超出余量向电容器芯子端面中心弯折，进一步把喷金层边缘处包裹好。经过上述改进，加上浇注在周围的环氧树酯，这一危险位置的绝缘性能经测验，可达到8000V·AC以上。

为了提高绝缘耐压值，所述导电片上包裹有绝缘胶带；为了进一步加强两电极间的绝缘，在分别与两个引出电极连接的导电片之间增加一条高绝缘隔离垫片。

由于电容器芯组底部喷金层上有一较大的焊点，为了保证和铝外壳之间的绝缘强度，在浇注环氧树酯的同时，所述电容器外壳底部与电容器芯子之间增设绝缘垫片，通过绝缘垫片和环氧树酯的双重作用切实保障了铝壳底部的绝缘性能，经测验，可达到8000V·AC以上。

本实用新型的进一步改进在于：所述封装在同一壳体内的各电容器芯子电容量优选相等。

为了配合高频率大电流的通过，保证长期可靠使用，所述引出电极由黄铜元加工形成，且外层镀锡。

本实用新型采用上述“两芯/多芯柱形并联”的模式，电容器的的关键指标串联等效电阻(ESR)与国内外同类产品相比，可提升近三倍，由此可以极大地降低电容器的发热损耗功率，降低电容器工作时的温升，为应用设备的可靠长寿命工作提供了有力的保证，同时具有结构简单，安全性高等优点，具有较高的社会效益和经济效益。

具体理论推导如下：在对两个电容器具有相同要求的情况下，以“两芯柱形并联”的制造方法为例，计算通常高频率大电流滤波电容器制造方法和本发明两者的ESR指标。

对于金属化薄膜电容器而言，由于介质膜的损耗极小，影响其发热损耗功率大小的关键指标ESR主要取决于电容器金属部分的损耗。而如果上述两种制造方法的电容器芯子直径相同，可以认为它们的喷金层金属电阻相同，则电容器ESR的大小就主要取决于作为极板的金属有效电阻的大小。可以证明，金属极板的有效电阻r_e为：

$r_e=2\mathrm{Rs}\·\frac{\mathrm{\Δb}+\frac{b}{3}}{L}$

式中：Rs为电容器极板金属镀层的方块电阻。

L为电容器极板的长度。

b为电容器极板的有效宽度。

Δb为电容器极板留边量和卷绕错边量之和。

根据上式，我们假定：

(1)图一所示电容器C₁和图四所示电容器C₄的额定电容量相等，均为Cn，即C₁＝C₄＝Cn。

(2)C₄的两个芯子和C₁均用相同厚度的金属化膜卷绕，而且它们的Rs均相同，Δb也相同。

(3)卷绕C₁用膜的有效宽度为2b，卷绕C₄单个芯子用膜的有效宽度为b。

根据上述对“双芯柱形并联模式的介绍”和假定(1)可以知道，在图四中，C₄一分为二，每个芯子的电容量 $C_{4-1}=C_{4-2}=\frac{1}{2}\mathrm{Cn}.$

于是，根据电容器的计算公式，可以求出：

电容器C₁的极板长度L₁为：

$L_1=\frac{d\·\mathrm{Cn}}{k\·\mathrm{\ϵ}\·2b}$

电容器C₄中单个芯子的极板长度为：

$L_{4-1}=L_{4-2}=\frac{d\·\frac{\mathrm{Cn}}{2}}{k\·\mathrm{\ϵ}\·b}=\frac{d\·\mathrm{Cn}}{k\·\mathrm{\ϵ}\·2b}=L_1$

上式中：k是常数，ε是介质膜的介电常数，d是介质膜的厚度；

由于C₄由C_4-1和C_4-2并联而成，因此电容器C₄的极板长度L₄为：

$L_4=L_{4-1}+L_{4-2}=2\×\frac{d\·\mathrm{Cn}}{k\·\mathrm{\ϵ}\·2b}=2L_1$

分别把L₁和L₄代入上述金属极板有效电阻r_e的计算式，求出C₁和C₄的极板有效电阻r_e1和r_e4为：

$r_{e1}=2R_s\·\frac{\mathrm{\Δb}+\frac{2b}{3}}{L_1}$

$r_{e4}=2R_s\·\frac{\mathrm{\Δb}+\frac{b}{3}}{L_4}$

比较r_e4和r_e1有：

$\frac{r_{e4}}{r_{e1}}=\frac{\mathrm{\Δb}+\frac{b}{3}}{\mathrm{\Δb}+\frac{2b}{3}}\×\frac{L_1}{L_4}=\frac{\mathrm{\Δb}+\frac{b}{3}}{\mathrm{\Δb}+\frac{2b}{3}}\×\frac{1}{2}$

由于作为滤波而用的电容器一般电容量比较大，通常b也会比较大，Δb即使和

相比也比较小，所以在上式中，我们忽略Δb的影响，即有：

$\frac{r_{e4}}{r_{e1}}=\frac{1}{4}$

比较结果表明：采用“双芯柱形并联”模式制造相同要求的滤波电容器，决定其发热损耗功率的关键因素——极板的金属有效电阻仅为通常制造方法的四分之一。

另外，还需说明一点：在前面的计算中已经有L₁＝L_4-1，即电容器C₁和C₄单个芯子的卷绕长度相同，又由于它们用膜的厚度也相同，因此C₁和C₄单个芯子的卷绕直径相等，电容器的喷金层端面积也相等。这样，当C₄由两个相同的芯子并联而成时，C₄的喷金层端面积比C₁的喷金层端面积大了一倍。带来的好处是，作为喷金层的金属电阻，C₄与C₁相比小了一半，也非常有利于降低电容器产品的串联等效电阻。这是采用“双/多芯柱形并联”模式制造电容器必然带来的有利结果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是原有结构的剖视结构示意图。

图2是本实用新型实施例1的剖视结构示意图。

图3是图2中A部放大图。

图4是本实用新型实施例2的剖视结构示意图。

图5是本实用新型实施例3的剖视结构示意图。

图中：1、铝外壳；2、电容器芯子；2-1、喷金层；3、引出电极；3’、引出电极；4、导电片；5、绝缘垫片；6、芯棒；7、热缩套管；7-1、超出余量；8、定位板；9、高绝缘隔板。

具体实施方式

实施例1：如图2、图3所示：一种高频率大电流金属化膜滤波电容器，具有呈“瘦长型”结构的铝外壳1，在铝外壳1内通过环氧树酯间隔封装有上、下层叠的两个圆柱状电容器芯子2，在下电容器芯子与铝外壳1内底面之间隔有绝缘垫片5；每个电容器芯子由金属化膜绕芯棒6卷绕而成，且两端喷有喷金层2-1；在各电容器芯子两端的喷金层2-1通过焊接法引出导电片4实现与两个电极3、3’分别连接，而上下两个电容器芯子2之间形成电气并联结构，具体连接方式为：从上电容器芯子的下喷金层、下电容器芯子的上喷金层引出的导电片4穿过电容器卷绕芯棒6与电容器的一个电极3’连接；从上电容器芯子的上喷金层、下电容器芯子的下喷金层引出的导电片4穿过电容器卷绕芯棒子6与另一电极3连接，导电片4上包裹有绝缘胶带，且连接不同电极的导电片之间设有高绝缘隔板9隔离。

其中，上下电容器芯子2的容量基本相同；两个电极设计用φ16黄铜元加工成的专用铜螺丝并镀锡形成，电极螺丝的接入端通过定位板8安装定位，且通过环氧树酯封填形成一体；两个电容器芯子的圆周面套封有热缩套管7，热缩套管7长度长于单个电容器芯子2长度，并在电容器芯子2两端分别留有超出余量7-1，当热缩套管7受热套封后，超出余量7-1向电容器芯子2端面中心弯折。

按照实施例1所示的双芯柱形并联模式生产的1200VDC 270μF产品(CJE)中抽取三只，和法国AVX(TPC)生产的同规格样品一只，用TH2818测量仪器对电容器的容量C值、1KHz损耗D值、10KHz及20KHz的ESR值进行了对比测量，其数据例表如下：

另外，本1200V 270μF滤波电容器产品的电容器电极和铝外壳之间整体的绝缘指标可达到5000V·AC以上。

实施例2：如图4，按照上述结构，将两个滤波电容器芯子2用环氧树酯封装于铝壳1中；与实施例1不同的是：使上下两个电容器芯子2形成电气并联结构的连接方式，具体为：从上电容器的上喷金层、下电容器的下喷金层引出的导电片4经过电容器芯子外侧与电容器的一个电极3连接；从上电容器的下喷金层、下电容器的上喷金层引出的导电片4经过电容器芯子外侧与另一电极3’连接。

实施例3：如图5，将三个滤波电容器芯子2上、下层层重叠并用环氧树酯封装于同一铝外壳1，在各电容器芯子2两端的喷金层2-1通过焊接法分别引出导电片4实现与两个电极3、3’的连接，并使上中下三个电容器芯子形成电气并联结构。

本实用新型的结构制造模式，不仅适用于各个耐压系列、各个电容量要求的高频率大电流滤波电容器，同时也适用于各种要求高频率大电流的功率电容器。

本实用新型结构简单，经济有效，电容器性能优良，ESR指标极低，工作稳定、可靠，使用寿命长。

Claims (9)

1.一种高频率大电流金属化膜滤波电容器，包括电容器外壳，电容器芯子，两个引出电极，所述电容器芯子与电容器外壳之间通过绝缘填充料间隔封装，其特征在于：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分别与两个引出电极实现电连接，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。

2.根据权利要求1所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述各电容器芯子及其电容器外壳呈圆柱状结构。

3.根据权利要求1或2所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述各电容器芯子侧面套封有热缩套管。

4.根据权利要求3所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述热缩套管在电容器芯子两端分别留有超出余量，所述热缩套管受热套封后，超出余量向电容器芯子端面中心弯折。

5.根据权利要求1所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述电容器外壳的内底面与电容器芯子之间设有绝缘垫片。

6.根据权利要求1所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述封装在同一壳体内的各电容器芯子电容量优选相等。

7.根据权利要求1所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述两个引出电极由黄铜元加工形成，且外层镀锡。

8.根据权利要求1所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述连接两个引出电极的导电片上包裹有绝缘胶带。

9.根据权利要求1所述的高频率大电流金属化膜滤波电容器，其特征在于：所述分别与两个引出电极连接的导电片之间设有高绝缘隔板隔离。 

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