薄膜电容器损耗的频率特性

薄膜电容器损耗的频率特性

摘要：高频损耗是薄膜电容器的一个重要的指标，它直接影响整机的可靠性。文章介绍了电容器损耗的概念、损耗的组成、外界因素对损耗的影响；本文运用试验数据说明薄膜电容器的高频损耗随测试频率的增加而增加，两者之间不是线性关系；通过对薄膜电容器生产过程的分析，指出了高频损耗产生的原因以及应采取的措施，并运用0.618法和正交试验法确定了重要工序的主要参数。

关键词：电容器；电容器的损耗；介质损耗；金属损耗；主要技术指标

1 引言

薄膜电容器逐批检验的主要技术指标有：电容量、损耗（损耗角正切值）、绝缘电阻、耐电压、可焊性、外观等，在这些指标中电容器的损耗是一个重要的指标，它直接影响薄膜电容器的产品质量、合格率，影响企业的经济效益。薄膜电容器的损耗不是一个固定的数值，它随测试频率不同而不同，本文就薄膜电容器的损耗与测试频率的关系做一探讨。

2 电容容器损耗的概念

任何实际的电容器，在电场作用下都是要消耗能量的。电容器把贮存或传递的一部分电能转变成热能，其中一部分使电容器发热，温度升高；另一部分消耗在周围环境中。通常我们把电容器在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量叫电容器的损耗。

电容器的损耗是衡量电容器品质优劣的一个重要指标，损耗越大电容器发热越严重，则表明电容器传递能量的效率越差。在极限情况下，有导致电容器破坏的危险，使用频率越高，这种危险性就越大。

3 损耗的组成

电容容器的损耗主要由电容器的介质损耗、漏导损耗和金属部分损耗三部分组成。电容器不是在高温和极低频率情况下工作时，可忽略漏导损耗的影响。这就是说，一般情况下电容器的损耗主要由介质损耗和金属部分损耗组成。

电容容器介质部分的能量损耗主要由电导损耗、极化损耗和电离损耗组成。电容器金属部分的能量损耗主要由电容器引出线的损耗、电容器极板有效电阻引起的损耗、接触电阻引起的损耗组成。

4 电容器损耗与外界因素的关系 4.1 电容器的损耗与频率的关系

在忽略表面漏导的情况下，电容器的损耗主要由介质损耗和金属部分损耗组成。电容器的损耗tgδ随频率f的变化曲线如图1。

图1 电容器的损耗tgδ随频率f的变化曲线

在频率不太高的范围内（f＜f1），电容器损耗tgδ的频率特性与介质损耗tgδd的频率特性相似，即在这个频率范围内，电容器的损耗tgδ主要决定于介质部分的损耗（在f3以下主要是电导损耗，在f3 与f1之间是极化损耗）。tgδ与tgδd出现最大值的f2大致相同。一般情况下，f3位于音频范围，f2位于高频范围，但是当电容器的工作温度升高后，f3 、f2向高频方向移动。 在频率比较高的范围内（f＞f1），电容器损耗tgδ的频率特性与金属损耗tgδm 的频率特性相似，这是因为当频率相当高时，金属部分的损耗成为电容器的主要损耗。这时的tgδm=ωCrm,ω较低时，rm是个常数，tgδm随频率线性增加；但当ω相当高时，由于集肤效应的影响，rm不是个常数（随频率增加而增加），这就导致tgδm随频率上升而更急剧地上升。

对于一个实际的电容器在f1以下主要介质和辅助介质的tgδd随频率变化规律不可能完全一致，一般情况下，tgδd的频率特性主要由主要介质决定。但当主要介质很好，辅助介质很差时，则辅助介质对损耗的频率特性有显著影响。若主要介质和辅助介质对损耗的影响程度差不多，并且都具有缓慢极化时，则由于极化的机理不同，会在tgδ的频率特性曲线上出现两个峰值。总之，实际电容器的损耗特性要比上述曲线复杂，要具体问题具体分析。 4.2 电容器损耗的温度特性

如果电容器介质具有缓慢极化，则电容器的损耗的温度特性如下图2。

图2 电容器的损耗的温度特性曲线

其中tgδd是介质损耗，显然，这是由电导损耗和极化损耗两部分组成，当温度较低时，极化损耗是主要成分，损耗tgδ的温度特性曲线上有峰值出现；当频率升高时，损耗tgδ的峰值向高温方向移动，所以，高频下损耗tgδ的峰值会出现在正温度范围内。

当温度比较高时（t＞t1），介质损耗急剧增大，这是因为在高温区电导损耗已经成为主要损耗了。

4.3 其它因素对电容器损耗tgδ的影响

电容器的tgδ除与温度、频率有关外，还受其它许多因素的影响，如电压、湿度等。 在一般结构的电容器中，如不考虑电压增大引起的电容器发热，从而使损耗有所增大时，损耗tgδ与电压的关系很小，但当电容器具有夹层式极化损耗、自发极化损耗以及电离损耗时，其tgδ将随电压发生显著的变化。

电容器介质本身或介质与介质及介质与极板之间存在空隙时，当电压足够高时，气隙的电离，将引起损耗tgδ迅速增大。

在电离损耗中，除了由于气隙电离引起的损耗外，还有一种所谓“闪烁效应”引起的损耗。由于工艺不佳，在极板边缘可能会含有不连续金属膜层和孤立的导电微粒，在较高电压作用下，它们之间会发生微放电现象，这就是所谓的“闪烁效应”。

潮湿对电容器损耗tgδ的影响也十分明显，在潮湿环境中，电容器表面上逐渐凝结水分，形成

水膜，使表面漏导电流增大，导致损耗tgδ增大。此外，当水分子进入介质时，会改变材料的性能，同时会增大金属层的氧化和腐蚀，促使电容器早期失效。

5 薄膜电容器损耗频率特性

按照国家标准，测试薄膜电容器损耗tgδ时仪表的测试电压档设为0.1V或0.3V,测试频率为1KHZ，聚酯薄膜电容器的损耗要求≤0.0080(最大为0.0100),聚丙烯薄膜电容器的损耗tgδ要求≤0.0010。这些电容器往往用于直流、使用电压较低、使用频率较小的场合。但是，有些电子仪器设备使用场合如彩电行逆程电路、开关电源电路等，它们的使用频率较高在几十KHZ左右，而且有的电路有交流成分，因此要求电容器高频性能要好，即电容器在高频条件下的损耗要小。如果高频损耗大，电容器在使用过程中，电容器自身就要消耗能量，引起电容器芯子发热，最终导致电容器芯子薄膜收缩，电容器失效。下面通过实验数据我们了解电容器的高频损耗与测试频率的关系。

综上所述，薄膜电容器的高频损耗随测试频率的增加而增加，两者之间不是线性关系；聚丙烯薄膜电容器的高频损耗要比聚酯电容器的高频损耗小。由于聚丙烯薄膜电容器的高频损耗小，因此聚丙烯薄膜电容器适用于高频电路场合。

6 生产过程如何降低薄膜电容器的高频损耗

薄膜电容器在高频状态下的损耗主要是金属损耗，主要有：电容器引出线损耗、电容器极板损耗以及接触损耗。现在薄膜电容器使用的引出线为镀锡铜包钢线或镀锡铜线，它们自身的损耗极小，可忽略不计。所以高频条件下薄膜电容器的损耗主要是极板损耗以及接触损耗。在薄膜电容器生产过程中，注重从以下几方面解决：

1）箔式薄膜电容器使用的电极材料是铝箔，要求其厚度均匀、导电性良好、没有腐蚀现象，铝箔端面没有磕碰；

2）金属化薄膜电容器使用的材料是金属化薄膜，它是把金属铝（或其它金属）用真空蒸发方式沉积在介质表面，这样可缩小电容器的体积，提高电容器的自愈性，降低电容器的成本。但是由于薄膜在真空蒸镀过程中或是金属化薄膜在分切过程中以及卷绕电容器芯子过程中容易出现薄膜的金属化层划伤，这对金属化薄膜电容器是致命的伤害，它将导致电容器极板损耗的增加，用户上机使用这样的电容器后果非常严重，要坚决禁止这样的电容器出厂。

首先我们要加强入厂金属化薄膜的抽样检验，除对金属化薄膜的电性能、厚度、宽度、外观、金属层的方阻检验外，还要检验薄膜上金属层的附着力、金属层上是否有疵点以及金属层上是否有划伤。杜绝不合格原材料进厂。

其次要加强卷绕工序生产过程中检验和巡检，电容器芯子经过首件检查，合格后才能批量生产；在批量生产过程中，加强对电容器芯子的巡检，发现问题及时解决，保证卷绕工序的产品质量。

对于要求高频损耗的薄膜电容器，赋能工序要抽检其损耗，在抽检过程中，如果发现异常，要及时对该批产品进行试验，试验合格下转，如果试验不合格，该批产品要进行降级或报废处理。 3）金属化薄膜电容器芯子的端面要喷涂上金属（一般为锌、锌锡合金），电容器的外引出线（一般为镀锡铜包钢线）就焊接到电容器芯子端面的金属上（喷金层），这样电容器的接触损耗主要就是两个方面。一是电容器芯子端面和金属层之间的接触质量；二是电容器的引出线与金属层之间的接触质量。为了降低薄膜电容器的接触损耗，应从以下方面着手：

⑴．电容器芯子端面和金属层之间的接触质量，即金属层与电容器芯子的附着质量。图3为薄膜电容器解剖图，上面所说的就是1电容器芯子与2金属层之间的附着质量。

图3 金属化薄膜电容器解剖图

a.卷绕错边：根据电容器的品种、电容量、额定电压选取适当的材料，金属化薄膜电容器选取适当的金属化薄膜，电容器在卷绕时要选取适当的材料错边，如果错边较小，电容器芯子端面在喷涂金属时，金属颗粒就会喷到芯子内部，造成电容器短路；如果错边过大，电容器芯子端面的金属层附近不牢，影响电容器的高频损耗。据此，我们用0.618法选取最佳的卷绕错边，如表3。

b.喷金工艺设定

电容器的喷金工序是最重要的工序，喷金工艺参数设定不好，直接影响产品质量，它会造成电容器芯子的短路、芯子端面的金属层与芯子附着力不好，从而造成电容器高频损耗增大。我们用正交试验法进行了试验，确定了电容器喷金工序的最佳工艺参数，如表4。

⑵．焊接工序就是外引出线焊接到电容器芯子端面的金属层上，它也是产生高频损耗的主要部位。焊接后应符合以下要求：

a.根据要求选取电容器外引出线，引出线外露长度要符合要求；

b.引出线焊接部位要适当，要焊接到电容器芯子端面高度的2/3处，引出线偏离中心要小于0.5mm；

c.引出线应平直、端正、牢固，不能有虚焊和焊糊现象; d. 引出线要能承受1kg以上的拉力。

参考资料：

[1] 谢道华.电容器性能与设计计算[M].北京:中国标准出版社出版，1991：158-163.