Гибридный сегментированный электрод для металлизированного пленочного конденсатора

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройству металлизированных пленочных конденсаторов постоянной емкости, и может быть использована при конструировании конденсаторов из металлизированного пленочного диэлектрика для применения в импульсной технике и силовой электронике, в условиях повышенных напряженностей электрического поля и токовых нагрузок.
Начиная с 1950-60 гг. известно применение металлизированных диэлектриков (в основном, полимерных пленочных - целлюлозные бумаги, полипропилен, полиэтилентерефталат, полистирол и т.п.) в электрических конденсаторах (Qin S., Ma S., Boggs S. A. The mechanism of clearing in metalized film capacitors // 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation. - IEEE, 2012. - P. 592-595.). Преимуществом внедрения металлизации диэлектрика является улучшение массогабаритных характеристик конденсаторов за счет уменьшения толщины и, как следствие, массы электродов. Наряду с этим металлизация полимерного диэлектрика придает конденсатору уникальное свойство самовосстановления, заключающееся в способности конденсатора восстанавливать работоспособность после локального пробоя рабочего диэлектрика. Таким образом, внедрение металлизации позволяет увеличить рабочую напряженность электрического поля конденсаторного диэлектрика.
Известны металлизированные полимерные пленки для конденсаторов со сплошной (W. J. Sarjeant, J. Zirnheld and F. W. MacDougall, Capacitors // IEEE Transactions on Plasma Science, V. 26, No. 5, pp.1368-1392, Oct. 1998) и с сегментированной металлизацией (Патент US4494168, МПК: H01G 4/015, опубликован 15.01.1985). Последняя представляет собой тонкий металлический слой (обычно, 10-50 нм), нанесенный на диэлектрик в виде множества элементов, называемых сегментами, как правило, электрически соединенных между собой узкими плавкими перемычками. В качестве напыляемого металла выступают в основном относительно легкоплавкие металлы, такие как цинк и алюминий. Также известно, что сопротивление проводников субмикронной толщины слоев выше, нежели у массивных, и обратно пропорционально их толщине (размерный эффект).
Площадь сегментов может быть различна, а сами сегменты чаще всего имеют форму правильных многоугольников: квадратов (ромбов), треугольников (Патент US5136462, МПК: H01G 4/24, опубликован 4.08.1992), параллелограммов (Патент US6631068, МПК: H01G 4/015, опубликован 7.10.2003), шестиугольников (Патент US6251503, МПК: H01G 2/16, опубликован 26.06.2001) и т.п. Известны и более сложные формы, например, веретенообразные сегменты (Патент US9536663, МПК: H01G 2/16, опубликован 3.01.2017).
Известно изобретение «Rolltype capacitor having segmented metallized areas» (Патент US4494168, МПК: H01G 4/015, опубликован 15.01.1985), относящееся к конденсаторам. Согласно изобретению, металлизированный слой разделен на множество электрически изолированных сегментов, размером от 10 до 500 мм, отстоящих на расстояние 0.1-5 мм друг от друга. Каждый из сегментов соединен с контактным узлом методом шоопирования - распыления на торцы намотанной секции расплавленного цинка. В качестве модификации, согласно изобретению, сегменты могут быть соединены проводящей перемычкой, ширина которой должна быть на порядок меньше ширины сегмента.
Известно изобретение «Foil with vacuum vapor deposited metal coating» (Патент US5136462, МПК: H01G 4/24, опубликован 4.08.1992), относящееся к конденсаторам постоянной емкости и способам их изготовления. Согласно изобретению, электрод самовосстанавливающегося конденсатора наносится методом вакуум-термического напыления и имеет в своем составе множество мелких отверстий, имеющих конфигурацию узких, закругленных на концах щелей, разделяющих слой металлизации на элементы малой площади, соединенные проводящими мостиками малой ширины.
Известно изобретение «Segmented metallized film» (Патент US6631068, МПК: H01G 4/015, опубликован 7.10.2003), относящееся к конденсаторам постоянной емкости, специальным средствам самовосстановления электродов. Согласно изобретению, сегментированная металлизация наносится на диэлектрическую пленку таким образом, что электрод делится продольно на две примерно равные по ширине части, состоящие из сплошной металлизации и множества сегментов в форме параллелограмма (в ортогональной проекции на поверхность пленки), соединенных с последней плавкими перемычками, располагающимися по меньшей стороне параллелограммов, при этом длина перемычки и зазор между сегментами равны 0.2 мм, а ширина - 0.3 мм. Применение подобной конфигурации позволяет снизить долю не покрытых электродом областей диэлектрика с 8 - 15% до 2%.
Известно изобретение «Film condenser and metalized film» (Патент US6251503, МПК: H01G 2/16, опубликован 26.06.2001), относящееся к слоистым изделиям или материалам, состоящим из плоских или объемных слоев, например, из слоев ячеистой или сотовой структуры. Согласно изобретению, электрод состоит из множества металлизированных и неметаллизированных областей. Последние сформированы таким образом, чтобы образовать множество сегментов, межсегментных изолирующих зазоров и плавких перемычек различной формы. Так, области перемычек имеют форму квадрата либо круга (в ортогональной проекции на поверхность пленки), а края межсегментных зазоров - острую либо скругленную форму. Ширина перемычек, согласно изобретению, составляет 0.1 - 1.5 мм, длина перемычек - 0.5-2 мм, величина межсегментного зазора - 7-20 мм, размер сегментов не регламентирован.
Известно изобретение «Metallized film capacitor» (Патент US9536663, МПК: H01G 2/16, опубликован 3.01.2017), относящееся к конденсаторам постоянной емкости. Согласно изобретению, электрод металлизированного пленочного конденсатора сформирован из множества сегментов веретенообразной формы, соединенных плавкими перемычками, отличается тем, что межсегментные изолирующие зазоры имеют форму синусоиды и располагаются в направлении поперек пленки.
В целом, внедрение плавких перемычек совершенствует технику самовосстановления, позволяя ограничить время протекания тока через канал пробоя и быстро изолировать сегмент электрода, в зоне которого произошел пробой, от остального электрода конденсатора за счет разрушения тонких плавких перемычек. Преимущество применения сегментированной металлизации заключается в повышении надежности металлизированных пленочных конденсаторов за счет ограничения выделяющейся в ходе самовосстановления энергии. При этом крайне важное значение имеют оптимальные геометрические размеры плавких перемычек и качество их напыления. Как правило, ширина и длина перемычек (межсегментный зазор) составляют 0.1 - 0.3 мм.
Недостатками всех вышеописанных конфигураций сегментированных электродов являются неполный охват площади диэлектрика электродом для реализации плавких перемычек, относительно высокое сопротивление электродов, уязвимость к электрохимической коррозии в силу большой протяженности краев электрода с повышенной напряженностью электрического поля, а также быстрое (по сравнению с конденсаторами со сплошной металлизацией) снижение емкости конденсатора по мере происходящих актов самовосстановления в силу достаточно крупного размера сегментов электрода, что приводит к более раннему параметрическому отказу и сокращению срока службы. Кроме того, при токовых нагрузках, характерных для применений импульсных, энергонакопительных и конденсаторов для силовой электроники, существует вероятность разрушения плавких перемычек по электротепловому механизму в силу повышенной плотности тока в перемычке даже при токе конденсатора, не превышающем номинальное значение, что отрицательно сказывается на надежности металлизированного конденсатора в целом.
Другим известным и широко применяющимся способом изготовления металлизированных конденсаторных пленок является ультратонкая сплошная металлизация полимера слоем алюминия или цинка толщиной 2 -5 нм (Rabuffi М, Picci G. Status quo and future prospects for metallized polypropylene energy storage capacitors // IEEE transactions on plasma science. -2002. - V. 30. - No. 5. - P. 1939-1942.). Преимуществом данного способа нанесения электрода является отсутствие областей диэлектрика, неохваченных электродом, и эффективное самовосстановление ввиду быстрого погасания микродугового разряда за счет высокого сопротивления электрода. Помимо этого, нанесение ультратонкого слоя толщиной порядка нескольких нанометров позволяет снизить длительность внешнего воздействия на полимерный диэлектрик и свести к минимуму негативное влияние процесса металлизации на дефектность пленки (Kerrigan R. Metallized polypropylene film energy storage capacitors for low pulse duty // CARTS-Conference. - Components Technology Institute Inc., 2007. - V. 27. - P. 97.), что благоприятно влияет на электрическую прочность металлизированного конденсатора. Вместе с тем существенным недостатком выступает высокое сопротивление электрода, обусловливая повышенное эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора и ограничивая применение конденсаторов с ультратонкой металлизацией областью постоянного тока и низких частот. Особенно важным данное обстоятельство является для широко применяющихся полипропиленовых пленочных конденсаторов, отличающихся весьма малой величиной потерь в рабочем диэлектрике - в данном случае потери энергии в токоведущих металлических частях конструкции выступают в качестве основных потерь конденсатора и должны быть ограничены. Также к недостаткам ультратонкой металлизации можно отнести большую уязвимость контактного узла конденсатора, выполняющегося с помощью техники шоопирования, поскольку сопротивление контактного узла увеличивается по мере уменьшения толщины слоя металлизации.
В этой связи ранее предпринимались попытки комбинировать сплошную и сегментированную металлизации, и тем самым объединить преимущества, характерные для обоих типов электродов. В качестве прототипа к заявляемому техническому решению было выбрано изобретение «High energy density capacitor films and capacitors made therefrom» (Патент US5953202, МПК: H01G 4/06, опубликован 14.09.1999), относящееся к конденсаторам постоянной емкости и способам их изготовления. Согласно изобретению, электрод металлизированного пленочного конденсатора состоит из множества элементов (сегментов) с низким поверхностным сопротивлением 2 - 20 Ом/квадрат, имеющих круглую или квадратную форму, электрически соединенных между собой элементами с высоким поверхностным сопротивлением в диапазоне 40 - 800 Ом/квадрат. Главным недостатком прототипа является высокое сопротивление получаемой электродной системы. Так, например, относительное повышение сопротивления электрода, состоящего из прямоугольных (с размерами ,  -длина и ширина прямоугольника, соответственно) элементов с низким поверхностным сопротивлением, соединенных элементом с более высоким поверхностным сопротивлением, по сравнению со сплошной металлизацией с таким же низким поверхностным сопротивлением можно с хорошей точностью оценить с помощью соотношения
где  - поверхностное сопротивление элементов с более высоким поверхностным сопротивлением,  - поверхностное сопротивление элементов с низким поверхностным сопротивлением,  - размер области между элементами,  - длина прямоугольных элементов с низким поверхностным сопротивлением. В случае квадратных элементов , и выражение выше, по сути, остается неизменным. Из приведенного выражения следует, что размер области между элементами следует делать как можно меньшим, а размер элементов с низким поверхностным сопротивлением, - напротив, как можно большим. Выражение для электрода, состоящего из круглых сегментов, будет иметь схожий вид. Стоит отметить, что в прототипе не указаны диапазоны размеров элементов с низким и более высоким поверхностным сопротивлением. Полагая размер квадратного элемента с низким поверхностным сопротивлением равным 8 мм, а элемента с более высоким поверхностным сопротивлением 0.25 мм (параметры, характерные для промышленно изготовляемых пленок с сегментированной металлизацией) и принимая в расчет усредненные поверхностные сопротивления, предлагаемые в прототипе, получим ()×()=(420 Ом/квадрат / 11 Ом/квадрат)×(0.25 мм / 8 мм)≈119%, что является весьма существенным, и в ряде применений может свести на нет все прочие преимущества предлагаемого изобретения. Немаловажно, что прототип подразумевает довольно сложный способ нанесения металлизации, одним из этапов которого является нанесение на поверхность полимера диэлектрической жидкости, препятствующей адгезии металла к выбранным областям, что требует наличия специализированного оборудования.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является расширение области применения конденсаторов, а именно обеспечение возможности применения металлизированных пленочных конденсаторов на переменном напряжении в расширенном диапазоне частот, а также в импульсных режимах с высокой частотой следования импульсов. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении сопротивления электрода конденсатора с металлизированным пленочным диэлектриком, уменьшении тангенса угла потерь конденсатора и повышении его надежности.
Сущность полезной модели заключается в том, что электрод металлизированного пленочного конденсатора, выполненный из тонкой электропроводящей пленки, образован элементами с низким поверхностным сопротивлением, электрически соединенными между собой элементом с более высоким поверхностным сопротивлением, при этом элементы с низким поверхностным сопротивлением не имеют прямого контакта друг с другом, а область между ними представляет собой элемент с более высоким поверхностным сопротивлением. Элементы с низким поверхностным сопротивлением имеют поверхностное сопротивление в диапазоне 3-6 Ом/квадрат, а элемент с более высоким поверхностным сопротивлением имеет поверхностное сопротивление в диапазоне 20 - 40 Ом/квадрат. Элементы с низким поверхностным сопротивлением имеют форму прямоугольника, размер сторон ,  которого лежит в диапазоне 5-10 мм, а зазор между этими элементами имеет размер w от 100 до 500 мкм.
Технический результат заявляемой полезной модели достигается применением особой, гибридной структуры металлизации, выполненной в виде двухэлементного электрода: сегментированная металлизация, включающая элементы с низким поверхностным сопротивлением, обеспечивает сниженное сопротивление электрода за счет малого поверхностного сопротивления, а сплошная металлизация, нанесенная поверх нее и являющаяся элементом с более высоким поверхностным сопротивлением, выполняет функцию плавких перемычек в традиционной технологии металлизации. Изолирование сегмента, в зоне которого произошел пробой диэлектрика, обеспечивается за счет разрушения контакта двух слоев металлизации разной толщины в силу повышенной плотности тока в зоне контакта.
На фиг. 1 представлен вид сверху структуры гибридной металлизации и местный вид, иллюстрирующий контакт между элементами с низким и более высоким поверхностным сопротивлением.
Электрод (фиг. 1), состоит из элементов (сегментов) с низким поверхностным сопротивлением 1 и элемента с более высоким поверхностным сопротивлением 2, нанесенных поверх пленочного диэлектрика 3. Элементы 1 в ортогональной проекции на плоскость диэлектрика 3 имеют форму прямоугольника.
Формирование гибридной металлизации начинается с нанесения на поверхность пленочного диэлектрика 3 элементов 1 с поверхностным сопротивлением 3 - 6 Ом/квадрат, размером сторон ,  от 5 до 10 мм и изолирующим зазором между элементами 1  от 100 до 500 мкм. Затем на поверхность пленочного диэлектрика 3 и элемента 1 наносится элемент 2 - электропроводящий слой с поверхностным сопротивлением 20 - 40 Ом/квадрат. При нанесении элемента 2 образуется множество контактных зон 4 между элементами 1 и 2.
Таким образом, формируются элементы с низким поверхностным сопротивлением 1, электрически соединенные между собой элементом с более высоким поверхностным сопротивлением 2. При этом элементы с низким поверхностным сопротивлением 1 не имеют прямого контакта друг с другом, а область между ними представляет собой элемент с более высоким поверхностным сопротивлением 2.
s
s
Наряду с нанесением элементов 1 и 2 производится формирование усиленного слоя 5 с поверхностным сопротивлением 1-2 Ом/квадрат, обеспечивающего надежный контакт гибридного электрода с шоопированным контактным узлом конденсатора. В качестве материала электрода используются тонкие электропроводящие пленки, преимущественно из металла. Металлизация может быть нанесена любым промышленно применяемым способом, в том числе методами термического и магнетронного напыления. Относительное повышение сопротивления гибридного электрода по сравнению со сплошной металлизацией для применяемых в рамках предлагаемой полезной модели средних соотношений поверхностных сопротивлений металлизации и геометрических параметров сегментов, характерных для промышленно изготовляемых пленок, ΔR/R=()×()=(30 Ом/квадрат / 5 Ом/квадрат)×(0.25 мм / 8 мм)≈19%, что много меньше, чем у прототипа. В случае сегментированной металлизации подобная аналитическая оценка затруднительна ввиду неравномерного распределения плотности тока по электроду, однако численные расчеты (Ivanov I. et al. Efficiency Evaluation of Electrodes Segmentation Patterns for Metallized Film Capacitors // 2020 IEEE 61th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON). - IEEE, 2020. - P. 1-5.) показывают примерно трехкратное увеличение сопротивления, что значительно превышает таковое для гибридного электрода.
С применением традиционной технологии шоопирования создается контактный узел конденсатора, с которым через усиленный слой 5 электрически контактирует гибридный сегментированный электрод, нанесенный на пленочный диэлектрик. Напряжение, поданное к выводам конденсатора, вызывает появление тока через конденсатор, распределяющийся по электроду и проходящий через рабочий диэлектрик. Конденсатор с электродной системой, сконструированной согласно предлагаемой полезной модели, обладает сниженным по сравнению с традиционным сегментированным электродом сопротивлением и потерями в электроде, определяемыми тангенсом угла потерь в электроде, который выражается следующим образом
э
к
где ω - круговая частота, R - сопротивление электрода конденсатора, С - емкость конденсатора,  - поверхностное сопротивление электрода, В - ширина электрода, L - длина электрода, ΔВ - ширина закраины по поверхности диэлектрика, препятствующей перекрытию между электродами с разным потенциалом. Из вышеприведенной формулы видно, что, при прочих равных, меньшими потерями в электродной системе в сравнении с традиционными сегментированными электродами и прототипом будет обладать гибридный сегментированный электрод согласно предлагаемой полезной модели. При пробое конденсатора с таким электродом ток, протекающий по нему, приводит к быстрому нагреву контактных зон 4 между элементами 1 и 2 и элементов 2 в целом. Наибольшая плотность тока при пробое наблюдается в окрестности элемента 1, в зоне которого произошел пробой, поэтому в элементе 2 в зоне, примыкающей к зоне пробоя, начинается локальная сублимация металла, происходящая в форме роста деметаллизированного канала по периметру элемента 1, изолирующего последний. Скорость роста данного канала такова, что изолирование поврежденного элемента 1 происходит за время 3-10 мкс, что не превышает характерные длительности самовосстановления конденсаторов с традиционной сплошной и сегментированной металлизацией (при условии выбора оптимального соотношения между поверхностными сопротивлениями элементов гибридного электрода).
Сочетание решений по предлагаемой полезной модели обеспечивает получение конструкции электрода конденсатора, обладающей пониженным по сравнению с известными аналогами сопротивлением, обеспечивающей полное покрытие диэлектрика, устойчивой к воздействию токовых нагрузок и напряжений, имеющих место при эксплуатации конденсаторов в силовой электронике и импульсной технике.