重复频率自愈式脉冲电容器失效机理研究

The metallized capacitor enjoys very high energy storage density in single -shot pulsed power system. But in repetitive power system, it counters mainly three kinds of problem: (1) thermal failure caused by thermal accumulation,(2) short circuit according to unsuccessful self-healing process and(3) end-contact deterioration due to pulsed current with high amplitude. All these problems restrict the further development of metallized capacitors used in repetitive pulsed power system. The aim of the project is to study the failure mechanism and the method to improve the working eclectic field and reliability of metallized capacitors used in repetitive pulsed power system. The results will supply a brand new thought in the application of the metallized capacitor.

金属化膜电容器由于具有自愈特性，因此可以工作在较高的场强下，是单次脉冲功率下首选的储能元件，应用于重复频率脉冲功率时，存在热量积累导致的热失效、自愈不完全导致的电容器短路以及大电流作用下的端部脱落问题。制约了金属化膜电容器在重复频率应用领域的拓展。本项目拟研究重复频率自愈式金属膜电容器的失效机理，研究提高电容器介质的工作场强，提高电容器在重复频率下工作寿命和可靠性，解决金属化化膜电容器应用于重复频率脉冲功率的关键技术问题，其研究成果为拓展金属化膜电容器应用范围提供创新思路。

项目围绕重复频率脉冲下金属化膜自愈式电容器的失效机理开展研究，重点研究金属化膜的击穿特性和自愈特性、大电流下电极断裂机理、电容器传热特性和寿命特性。研究表明：. （1）温度的升高导致的自愈性能劣化是高温下金属化膜电容器寿命缩短和失效的原因，当温度从0℃增加到100℃时 BOPP膜的击穿场强由740 V/μm下降至543 V/μm；单次自愈试验出现单个自愈点的比例从84.4%下降到38.0%，而出现多个自愈点的比例从15.6%升高到62.0%；. （2）在脉冲电流作用下，金属电极的断裂可分为裂纹发展和电爆炸两种类型，在单次脉冲电流作用下金属电极发生电爆炸的临界电流密度为1.07×1011 A/m2，重复脉冲电流作用下金属电极发生裂纹发展的临界电流密度为1.39×1010 A/m2。. （3）从电容器发热功率、热传导和散热三方面论述电容器的传热过程，其中重点研究电容器中体积功率密度分布和热传导过程。基于热传导方程、体积功率密度分布和边界散热条件建立了金属化膜电容器的温升仿真模型，研究了工作参数（如工作电流、重复频率等）对电容器温升的影响。. （4）建立了电容器重复频率脉冲充放电寿命测试平台，研究重复频率参数对电容器寿命的影响。研究结果表明：重复频率越高，电容器寿命越长。确定电容器的重复频率-电压-温度-电流多参数作用下的可靠工作区间。. 发表资金资助的论文20篇，其中SCI收录13篇，EI收录6篇，授权发明专利10项，制定电容器行业标准1项。获教育部科学进步奖一等奖。参加国际会议3次，国内会议2次，其中国际会议大会特邀报告1次，国内会议分会场特邀报告1次。