摘要：  由于薄膜电容器内部介质薄膜材料不具备阻燃性，固薄膜电容器失效后容易产生烧机隐患，为避免薄膜电容器燃烧问题，从薄膜电器结构特点及材料特性进行深入分析，研讨带保护装置的安全膜薄膜电容器产品，在电源过压情况下的保护性能。PFC薄膜电容器及X2安规薄膜电容器对电源安全性影响较大，本文以这两类电容器为例进行详细技术研讨。

关键字：  安全膜，电容器，过压，保护

1 引言
薄膜电容器在电源产品上使用量大，PFC薄膜电容器及X交流安规薄膜电容器由于电路特殊环境不良比例较大，且由于薄膜电容器内部介质薄膜材料不具备阻燃性，固薄膜电容器失效后产生烧机隐患较大。为避免薄膜电容器燃烧问题，电容器行业相关厂家积极开发安全性更高的安全膜薄膜电容器产品。本文对这两种特殊薄膜电容器安全设计进行分析。                        
2 薄膜电容器分类及特性
2.1 薄膜电容器结构组成
 薄膜电容器结构组成如图2。
2.2 薄膜电容器分类
按照介质材料、电极材料、封装形式、引线方式分类及特性如表1。
聚丙烯膜薄膜电容器：高频损耗小、温度系数小、抗电强度高。PFC薄膜电容器部分厂家采用聚丙烯膜，也有采用聚酯薄膜材料，主要取决耐温性及生产工艺控制。X交流安规薄膜电容器均采用聚丙烯膜。
聚酯膜电容器：耐温性好，比容高，适合小型化及中低压产品。PFC薄膜电容器450V/105产品由于电容器噪音问题，及厂家工艺管控能力，部分厂家有做聚酯膜产品。
金属化薄膜电容器：是在聚酯或聚丙烯薄膜表面蒸镀了一层薄金属作为导电电极，聚酯或聚丙烯薄膜作为介质形成的电容器。由于电极采用蒸镀金属方式，此类电容器有良好的自愈特性。
金属箔式薄膜电容器：是采用3~6μm厚度纯铝箔作为电极，聚酯或聚丙烯薄膜作为介质的一种电容器。此类电容器由于采用纯铝箔，不具备自愈特性，但耐电流能力较强。可应用低压大电流场合。
2.3 薄膜电容器介质材料特性(如表2)
聚丙烯薄膜：抗电强度高，绝缘电阻大、吸水率低。主要应用高压及安规产品。
聚酯薄膜材料特性：热膨胀系数小、耐温高，抗拉强度大适合中低压及耐温高产品。
3 安全膜薄膜电容器介绍
3.1 金属化薄膜自愈特性介绍
自愈原理：金属化薄膜表面蒸镀了一层薄金属作为导电电极。当施加过高的电压时，聚丙烯膜电弱点被击穿，击穿点阻抗明显降低，流过的电流密度急剧增大，使金属化镀层产生高热，击穿点周围的金属导体迅速蒸发逸散，形成金属镀层空白区，击穿点自动恢复绝缘。因此，这种可以自动恢复的电容，即称为所谓自愈式电容器。如图3。
电容器在外施电压作用下，由于介质中的杂质或气隙等弱点的存在或发展引起介质击穿形成导通电路；接着在导通电路处附近很小范围内的金属层中流过一个前沿很陡的脉冲电流。邻近击穿点处金属层上的电流突然上升，按其离击穿点的距离而成反比分布。在顺时刻t，半径为Rt的区域内金属层的温度达到金属的熔点，于是在此范围内的金属熔化并产生电弧。该电流引起电容能量释放，在弧道局部区域温度突然升高，压力突然增大。
随着放电能量的作用，半径为Rt的区域内金属层剧烈蒸发并伴随喷溅。在该区域半径增大的过程中电弧被拉断，金属被吹散并受到氧化与冷却，破坏了导电通路，在介质表面形成一个以击穿点为中心的失掉金属层的圆形绝缘区域。电容器的自愈过程结束。
3.2 安全膜分类
安全薄膜是在金属化薄膜基础上，研制出来的自愈性能更优异的一种薄膜材料，承受脉冲电压能力更强。
3.3 安全膜过压保护原理
电容器内芯是采用带保护装置的安全膜卷绕而成，从而大幅度提高了金属膜（电容器）的自愈能力及抗电强度。如图4。
过电压保护原理：
当电压出现异常波动（超过极限耐压值）时，金属化膜击穿此时安全保护装置起作用，三个连接处在金属化膜产生自愈的同时自动断开（如图5所示），此时，这一小块金属膜不再是此电容器中的一部分，有效地将出现的不良故障剔除（每颗产品由几千个小方块组成，剔除不良部分后，对容量几乎不产生影响），从而达到提高抗电强度的能力。
安全膜设计根据耐电压、耐电流不同侧重点，分成了不同的结构类型。如表3。
表 3  安全膜薄膜电容器特性比较
形状 耐电压 损耗角 耐温 容量稳定 耗材
TD型  ◎ ◎ ● ◎ ●
T型  ◎ ● ◎ ◎ ◎
网状  ● ○ ○ ● ○
备注 “○”表示一般，“◎”表示良好，“●”表示最好

(1)TD型：热稳定性好，抗脉冲电压及脉冲电流良好，可应用于PFC薄膜电容。
(2)T型：抗脉冲电流强，抗脉冲电压及耐温良好。可应用于PFC及X交流安规薄膜电容器。
(3)网状：抗脉冲电压强，耐电流及耐温一般。一般应用做X交流安规薄膜电容器。[#page#]
4 PFC薄膜电容器安全设计
PFC使用薄膜电容器常用规格450V/105，由于PFC工作电路产生的高频谐波影响，容易产生噪声干扰。
电容器内部噪声的来源：由于电场的作用，使其内部产生振动从而产生噪声。当电容器加上交流电压（或纹波电压）时，由于电容器的薄膜之间存在间隙，薄膜在电磁力的作用下发生周期性形变，薄膜周期性的形变产生共振，这种振动将传给外壳而使壳壁振动并形成噪声（或称为交流声），通过外壳辐射出来产生噪声干扰。
电容器噪声的解决方法：厂家一般采用特殊工艺材料，尽可能的将薄膜压紧，减少电容器内部空隙，并采用特殊的压扁治具控制薄膜压扁后的形状。
为减小噪声产生，PFC电容器进行热聚合压扁时的温度及压力容易造成薄膜介质小的损伤产生击穿不良。为避免产品击穿，此类电容器一般采用金属化聚酯薄膜或者聚丙烯薄膜制造而成，利于金属化薄膜的自愈特性，解决工艺困难问题。同时为增强产品的过电压安全性，研制开发安全膜PFC电容器，提高产品的过电压能力。
由于PFC电路存在高频脉冲电流，此电路电容器选择安全膜一般选择TD型或T型。在提高过电压特性同时，确保抗脉冲电流能力，避免脉冲电流造成产品过热失效。安全膜结构及安全过压保护如图4。
为避免外部火焰烧爆包封料，引起内部薄膜燃烧，采用特殊UL94V-0级环氧树脂包封，提高产品抗外部燃烧能力。火焰燃烧电容器60秒，火焰离开10秒内必须熄灭。（如图7）。通过安全膜设计解决内部击穿短路问题，同时通过特殊阻燃环氧解决外部燃烧问题，提高电容器的安全性能。
5 X2交流安规薄膜电容器设计
安规电容器：安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。它包括了X电容和Y电容。X电容是跨接在电力线两线(L-N)之间的电容，一般选用金属薄膜电容；Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间(L-E， N-E)的电容，一般是成对出现。基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级。X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。
X2交流安规薄膜电容器，主要用于抑制电源电磁干扰，当在电源跨线电路中使用电容器来消除噪音时，不仅仅只有正常电压，还必须考虑到异常的脉冲电压（如闪电）的产生，这可能会导致电容器冒烟或者起火。所以，跨线电容器的安全标准对于不同国家有严格标准规定。
由于X2交流安规薄膜电容器工作在L-N之间，受到电网电压波动及异常电压影响，容易产生过电压失效，且由于内部薄膜介质材料不阻燃，失效后容易发生火烧机事故。开发研制采用安全膜结构安规薄膜电容器，大大提高抗脉冲过电压能力，同时采用UL94V-0级塑胶外壳封装，提高产品防爆性能。防止电容器过压燃烧及外部火焰烧爆包封料后引入内部不阻燃的薄膜。如图9、图10。
X2交流安规薄膜电容器主要考虑过电压特性，电路脉冲电流不是很大。固在选择安全膜时，主要侧重过电压特性。优选网状（如图8）及T型（如图10）安全膜材料设计，提高电容器过电压保护能力。     
6 小结
安全膜薄膜材料虽可提高薄膜电容器过电压能力，但需根据电路耐电压或耐电流不同特性，选择不同结构的安全膜设计薄膜电器，以发挥安全膜薄膜电容器过电压优势。如选用不当，会造成使用安全膜制造的电容器也不安全。

参考文献
[1] 陈永真， 电容器及其应用， 北京: 科学出版社， 2005
[2] 并联电容器装置技术及应用， 电力行业电力电容器标准化技术委员会.