Причины популярности пленочных металлизированных конденсаторов. Полимеры для пленочных конденсаторов. Пути совершенствования свойств диэлектриков в пленочных конденсаторах.
На текущий момент пленочные конденсаторы с диэлектриком из полимера почти полностью вытеснили с рынка бумажные конденсаторы, а производство конденсаторов по объемам выпуска и продаж сконцентрировалось на 5 основных полимерах-диэлектриках — полипропилене (аббревиатура PP, доля от общего объема производства 55%), полиэфире (аббревиатура PET, доля от общего объема производства 40%), полифениленсульфиде (аббревиатура PPS, доля от общего объема производства 3%), полиэтилене (аббревиатура PEN, доля от общего объема производства 1%), политетрафторэтилене и поливинилденфториде (аббревиатура PTFE и PVDF соответственно, суммарная доля от общего объема производства (включая силоксаны) 1%).
Повышенный интерес производителей и потребителей к диэлектрикам-полимерам обусловлен не только и не столько технологичностью синтетических материалов, сколько низкими значениями эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и коэффициента рассеяния (DF) материалов, отсутствием склонности к выщелачиванию и деградации тангенса угла диэлектрических потерь, стабильностью полимеров при долговременном использовании, а также хорошей плотностью энергии и способностью быстро менять фазовое состояние из твердого в парообразное и наоборот (эффект самовосстановления пленочных металлизированных конденсаторов). В целом металлизированные пленочные конденсаторы имеют большой жизненный цикл и большую плотность энергии, чем керамические конденсаторы, в том числе основанные на титанате бария, титанате циркония, в которых реальная плотность энергии находится в пределах 0.1-1 Дж/см3, уступают по плотности энергии электролитическим конденсаторам, но превосходят их по уровню рабочих температур и скорости разряда.
| Тип конденсатора | Плотность энергии, | Дж/см3 | Operating | Repetition Rate, |
|---|---|---|---|---|
| Сегодня | В перспективе | |||
| Пленочные | 1 | 10 | 125 | 10*5 |
| Керамические | 0.1 – 0.5 | 10 | >200 | 10*5 |
| Электролитические | 1.5 – 2.5 | 4 - 5 | 60 | 10*2 |
| Слюдяные | 0.2 – 0.5 | -- | >300 | >10*6 |
Поэтому металлизированные, фольгово-металлизированные конденсаторы и конденсаторы со смешанным (Misch-Dielektrika) диэлектриком (металлизированной бумагой и полимером) сегодня активно используются, как компенсационные конденсаторы (косинусные конденсаторы мощности) для сетей/участков сетей, в том числе высокого напряжения, асинхронных двигателей, сетей освещения, импульсных конденсаторов в дефибрилляторах, лазерных установках, системах поддержки огня в военных проектах и т.д. и т.п.
Полимеры для пленочных конденсаторов.
Свойства диэлектрика во многом определяют электрические характеристики конденсаторов и поэтому выбор и модификация свойств полимерных пленок остается одной из приоритетных задач производителей, хотя следует отметить факт, что за последние 40 лет особых усовершенствований полимеров-диэлектриков не было.
| Тип конденсатора по диэлектрику | К на частоте 1 кГц | Электрическая прочность, V/μm | DF, | Макс. Рабочая температура, (oC) | Плотность энергии Дж/см3, Теоретическая/ | Плотность энергии в % от теоретической |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Polycarbonate (PC) | 2.8 | 350 | <1 | 150 | 3.6/0.5-1 | 28 |
| Polypropylene (PP) | 2.2 | 500 | <0.1 | 105 | 4.1/1-1.5 | 36 |
| Polyester (PET) | 3.3 | 400 | <1.5 | 125 | 4.9/1-1.5 | 30 |
| Polyvinylidenefluoride (PVDF) | 12 | 200 | 1-5 | 105 | 2.4 | 12 |
| Polyethylenenapthalate (PEN) | 3.2 | 440 | <1 | 137 | 1-1.5 | 34 |
| Polyphenylenesulfide (PPS) | 3.0 | 360 | <0.2 | 200 | 1-1.5 | 36 |
Конденсаторы с диэлектриком из полипропилена и полиэстера работают при высоких напряжениях и с хорошей надежностью, имеют большие величины напряжения пробоя, превосходную частотную характеристику, низкий коэффициент рассеяния (DF), хорошую самовосстанавливающую способность, но достаточно низкую практическую плотность энергии (меньше 1 Дж/см3) и сравнительно небольшую рабочую температуру (105 градусов Цельсия для конденсаторов с полипропиленовым диэлектриком). У конденсаторов с диэлектриком из поливинилденфторида (PVDF) более высокая диэлектрическая константа (12), а практическая плотность энергии 2.4 Дж/см3, однако они характеризуются слабым сопротивлением изоляции, ограниченной способностью к самовосстановлению, низким коэффициентом рассеяния, невысокими напряжениями пробоя и дорогим процессом изготовления. Конденсаторы с диэлектриком из полиэтиленнафталата (Polyethylennaphtalat) отличаются неплохой диэлектрической константой, сравнительно высокой рабочей температурой, возможностью изготовления с пленками в толщинах менее одного микрона, но нерациональны в импульсных сетях из-за сравнительно невысокой скорости разряда.
| Тип конденсатора | Диэлектрическая | константа | на частотах, Гц | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 1000 | 10000 | 100000 | 1000000 | |
| Polycarbonate (PC) | 2.8 | 2.8 | 2.7 | 2.7 | 2.7 |
| Polypropylene (PP) | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 2.2 |
| Polyester (PET) | 3.3 | 3.3 | 3.2 | 3.2 | 3.2 |
| Polyvinylidenefluoride (PVDF) | 12.0 | 11.0 | 10.2 | 9.6 | 7.0 |
| Polyethylenenapthalate (PEN) | 3.2 | 3.1 | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
| Polyphenylenesulfide (PPS) | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
| Polyimide (PI) | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
Довольно интересным диэлектриком, привлекающим внимание разработчиков в прошедшие два десятилетия, является поливинилденфторид (PVDF) — полярный полимер, который имеет большую диэлектрическую константу (~12) и демонстрирует превосходные пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства. PVDF — частично прозрачный линейный полимер с углеродистой основой, в которой у каждого мономера есть два дипольных момента {CH2-CF2-}. В прозрачной фазе PVDF показывает множество молекулярных вариантов кристаллических структур в зависимости от метода подготовки.
Для поливинилденфторида характерна привилегированная ориентацию цепей полимера в пленке и преобразование большого процента кристаллитов в форме беты. Именно этот двуосным образом ориентируемый материал пленки после поляризации формирует основные пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства. Практическая плотность энергии пленочных конденсаторов на основе PVDF приблизительно 2.4 Дж/см3.
Вместе с тем, несмотря на очень высокую диэлектрическую константу PVDF имеет ряд проблем, включая нелинейность связей емкости с напряжением, малое сопротивление изоляции, высокие токи утечки, относительно низкие значения напряжения пробоя, неустойчивую при изменении частоты диэлектрическую константу, большую зависимость работы от температуры и дорогой в производстве. Кроме того, PVDF показывает ограниченную способность к самовосстановлению, приводящую к катастрофическим отказам единичных конденсаторов и конденсаторных батарей, причем на текущий момент эта проблема в полной мере так и не решена.
Не так давно двумя американскими лабораториями (Steinerfilm, Williamstown, Массачусетс и Sigma Labs, Tucson, Аризона) были проведены исследования по превентивному покрытию диэлектрика (до металлизации) материалами на базе акрилатов чтобы обеспечить дополнительные объемы кислорода для горения PVDF в процессе самовосстановления при пробое (Dick Wooden, ASC Capacitors, private communications, 1997). Однако многочисленные тесты пленочных конденсаторов с таким покрытием PVDF диэлектрика не показали повышения плотности энергии или напряжения пробоя (M. Z. A. Munshi, internal testing of PVDF capacitors at Sulzer Intermedics, 1998). Поэтому пока усовершенствование свойств PVDF, как впрочем и других полимеров идет или по пути оптимизации конструктивного исполнения — утолщения металлизированных пленок в местах контакта, или же по направлению формирования композитных материалов на уровне нанотехнологий, где уже в последние пять лет удалось получить ряд диэлектриков с высокой плотностью энергии (High Energy Density — HED) и большими значениями диэлектрической константы.
