随着新能源需求的不断扩大，预计未来几年中国薄膜电容器市场将再次进入高增长期。薄膜电容器的核心材料聚丙烯薄膜，由于需求快速扩张，产能释放缓慢，供需缺口不断扩大。本周的文章就来看看薄膜电容器的核心材料——聚丙烯薄膜（PP薄膜）。
1960年代后期，聚丙烯电工膜以其独特的电气和加工特性以及优异的性价比成为三大电工膜之一，在电力电容器行业得到广泛应用。1980年代初，欧美发达国家已开始生产金属化聚丙烯薄膜电容器，而我国仍处于金属化聚丙烯薄膜电容器的发展阶段。只有通过引入金属化聚丙烯薄膜电容器制造技术和关键设备，我们才有了真正意义上的金属化聚丙烯薄膜电容器。
下面我们就来了解一下聚丙烯薄膜在薄膜电容器中的用途以及一些简单的介绍。聚丙烯薄膜电容器属于有机薄膜电容器类，其介质为聚丙烯薄膜，电极有金属主体型和金属薄膜型，电容器芯用环氧树脂包裹或封装在塑料和金属外壳中。用金属薄膜电极制成的聚丙烯电容器称为金属化聚丙烯薄膜电容器，俗称薄膜电容器。聚丙烯薄膜是由丙烯聚合而成的热塑性树脂。它通常更厚、更坚韧、抗拉强度更高，可用于温室薄膜、承重袋等。聚丙烯是一种无毒、无臭、无味、乳白色、高度结晶的聚合物，密度仅为0. 90-0。91g/cm³。它是所有可用塑料中最轻的品种之一。对水特别稳定，在水中的吸水率仅为0. 01%，分子量约为80,000-150,000。
聚丙烯薄膜是薄膜电容器的核心材料。薄膜电容器的制造方法称为金属化薄膜，它是在塑料薄膜上真空汽化一层薄薄的金属作为电极制成的。这样可以减小电容器单位容量的体积，因此薄膜更容易制作小型、大容量的电容器。薄膜电容器的上游主要包括基膜、金属箔、线材、外包装等，其中基膜是核心原材料，材料的不同会使薄膜电容器体现出不同的性能。基膜一般分为聚丙烯和聚酯。基膜越厚，可以承受的电压越高，反之，可以承受的电压越低。基膜是电工级电子薄膜，因为薄膜电容器的电介质是最重要的上游原材料，它决定了薄膜电容器的性能，占材料成本的60%-70%。从市场格局来看，日本厂商在高端薄膜电容器原材料方面具有明显领先优势，其中东丽、三菱、杜邦是全球顶级的基膜供应商。
新能源汽车、光伏、风电用电工聚丙烯薄膜主要集中在2-4微米之间，同期产能较普通家用电器6-8微米减少一半以上，导致总产量大幅下降和市场供需逆转。未来几年，电工聚丙烯薄膜的供应将受到限制。目前，全球电工聚丙烯薄膜主要设备在德国、日本等国生产，新产能建设周期为24-40个月。此外，新能源汽车薄膜对性能要求高，能够稳定量产新能源电动聚丙烯薄膜的企业屈指可数，因此2022年全球不会有新增聚丙烯薄膜产能。生产线正在洽谈中。因此，明年整个行业的产能缺口可能会更大。
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电能，即将电能转换成其他形式的能量（机械能、光能、热能）的电能。例如：5.5千瓦电动机是将5.5千瓦电能转化为机械能，驱动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将转化为光能，为人们的生活和工作提供照明。
无功功率更抽象；它是用于在电路内交换电场和磁场以及在电气设备中建立和维持磁场的电力。它不对外工作，而是转化为其他形式的能量。任何带有电磁线圈的电气设备都会消耗无功功率来建立磁场。比如一个40瓦的荧光灯，需要40多瓦的有功功率（镇流器也需要消耗一部分有功功率）才能发光，还需要80瓦左右的无功功率让镇流器线圈建立交变磁场场地。因为它不做外部工作，只被称为“反应式”。
本周我们继续上周的文章。
1.2 电解电容
电解电容器使用的电介质是铝腐蚀形成的氧化铝，介电常数为8～8.5，工作介电强度约为0.07V/A（1μm=10000A）。然而，不可能达到这样的厚度。铝层的厚度降低了电解电容器的容量因子（比电容），因为铝箔必须经过蚀刻形成氧化铝膜才能获得良好的储能特性，并且表面会形成许多凹凸不平的表面。另一方面，电解液的电阻率在低压下为 150Ωcm，在高压（500V）下为 5kΩcm。电解液的较高电阻率限制了电解电容器可以承受的 RMS 电流，通常为 20mA/µF。
由于这些原因，电解电容器的设计最大电压典型值为 450V（一些个别制造商设计为 600V）。因此，为了获得更高的电压，必须通过串联电容器来实现。但是，由于每个电解电容的绝缘电阻不同，必须在每个电容上连接一个电阻，以平衡每个串联电容的电压。另外，电解电容器是有极性的器件，当施加的反向电压超过Un的1.5倍时，就会发生电化学反应。当施加的反向电压足够长时，电容器会溢出。为了避免这种现象，使用时应在每个电容旁边接一个二极管。此外，电解电容的耐电压浪涌一般为1.15倍Un，好的可以达到1.2倍Un。所以设计人员在使用时不仅要考虑稳态工作电压，还要考虑浪涌电压。综上所述，可以得出以下薄膜电容和电解电容的对比表，见图1。
2. 应用分析
作为滤波器的 DC-Link 电容器需要高电流和高容量设计。一个例子是新能源汽车的主电机驱动系统，如图3所示。在此应用中，电容器起去耦作用，电路具有高工作电流。薄膜 DC-Link 电容器的优点是能够承受大的工作电流 (Irms)。以50~60kW新能源汽车参数为例，参数如下：工作电压330 Vdc，纹波电压10Vrms，纹波电流150Arms@10KHz。
则最小电容量计算如下：
这对于薄膜电容器设计来说很容易实现。假设使用电解电容，若考虑20mA/μF，则计算电解电容的最小电容满足上述参数如下：
这需要多个电解电容并联才能获得这种电容。
在过电压应用中，如轻轨、电动公交车、地铁等。考虑到这些电源是通过受电弓与机车受电弓相连的，在运输行程中受电弓与受电弓的接触是断断续续的。两者不接触时由DC-L墨电容支持供电，恢复接触时产生过电压。最坏的情况是DC-Link电容器在断开时完全放电，放电电压等于受电弓电压，当接触恢复时，产生的过电压几乎是额定工作Un的两倍。对于薄膜电容器，无需额外考虑即可处理 DC-Link 电容器。如果使用电解电容，过电压为1.2Un。以上海地铁为例。Un=1500Vdc，对于电解电容要考虑的电压为：
然后将六个 450V 的电容串联起来。如果在 600Vdc 到 2000Vdc 甚至 3000Vdc 中使用薄膜电容器设计，则很容易实现。此外，电容器在完全放电情况下的能量在两个电极之间形成短路放电，通过DC-Link电容器产生很大的浪涌电流，这通常是不同的电解电容器才能满足要求。
此外，与电解电容器相比，DC-Link 薄膜电容器可以设计为实现非常低的 ESR（通常低于 10mΩ，甚至更低 <1mΩ）和自感 LS（通常低于 100nH，在某些情况下低于 10 或 20nH） .这使得 DC-Link 薄膜电容器在应用时可以直接安装到 IGBT 模块中，从而可以将母线集成到 DC-Link 薄膜电容器中，从而在使用薄膜电容器时无需专用的 IGBT 吸收电容器，节省设计师一大笔钱。图 2。和 3 显示了部分 C3A 和 C3B 产品的技术规格。
三、结论
早期，出于成本和尺寸的考虑，DC-Link 电容器主要是电解电容器。
但电解电容受耐压和耐电流能力的影响（ESR比薄膜电容高很多），所以需要将几个电解电容串联和并联，以获得大容量，满足高压使用的要求。另外，考虑到电解质材料的挥发，应定期更换。新能源应用一般要求产品寿命为15年，因此在此期间必须更换2~3次。因此，整机的售后服务存在相当大的成本和不便。随着金属化镀膜技术和薄膜电容技术的发展，使用超薄OPP薄膜（最薄的2.7µm，甚至2.4µm），可以生产电压从450V到1200V甚至更高的大容量直流滤波电容器。安全膜汽化技术。另一方面，DC-Link电容与母线的集成使得逆变模块设计更加紧凑，大大降低了电路的杂散电感，优化了电路。
本周我们将分析在直流母线电容器中使用薄膜电容器代替电解电容器。本文将分为两部分。
随着新能源产业的发展，变流技术也随之普遍使用，其中DC-Link电容器作为选择的关键器件之一显得尤为重要。直流滤波器中的DC-Link电容一般需要大容量、大电流处理和高电压等。通过比较薄膜电容和电解电容的特性并分析相关应用，本文得出结论：在需要高工作电压的电路设计中，高纹波电流 (Irms)、过压要求、电压反转、高浪涌电流 (dV/dt) 和长寿命。随着金属化气相沉积技术和薄膜电容技术的发展，未来薄膜电容在性能和价格上将成为设计人员替代电解电容的趋势。
随着各国新能源相关政策的出台和新能源产业的发展，该领域相关产业的发展带来了新的机遇。而电容器作为必不可少的上游相关产品产业，也获得了新的发展机遇。在新能源和新能源汽车中，电容器是能量控制、电源管理、功率逆变器和DC-AC转换系统中决定转换器寿命的关键部件。但是，在逆变器中，直流电源作为输入电源，通过直流母线连接到逆变器，称为DC-Link或DC支持。由于逆变器从 DC-Link 接收到高 RMS 和峰值脉冲电流，它会在 DC-Link 上产生高脉冲电压，使逆变器难以承受。因此需要DC-Link电容吸收来自DC-Link的高脉冲电流，防止逆变器的高脉冲电压波动在可接受的范围内；另一方面，它还可以防止逆变器受到 DC-Link 上的电压过冲和瞬态过电压的影响。
DC-Link电容器在新能源（包括风力发电和光伏发电）和新能源汽车电机驱动系统中的使用示意图如图1和图2所示。
图1为风电变流器电路拓扑，其中C1为DC-Link（一般集成在模块中），C2为IGBT吸收，C3为LC滤波（网侧），C4为转子侧DV/DT滤波。图2为光伏变流器电路技术，其中C1为直流滤波，C2为EMI滤波，C4为DC-Link，C6为LC滤波（电网侧），C3为直流滤波，C5为IPM/IGBT吸收。图 3 为新能源汽车系统中的主电机驱动系统，其中 C3 为 DC-Link，C4 为 IGBT 吸收电容。
在上述新能源应用中，DC-Link电容器作为关键器件，在风力发电系统、光伏发电系统和新能源汽车系统中要求高可靠性和长寿命，因此其选择尤为重要。以下是薄膜电容器和电解电容器的特性比较及其在DC-Link电容器应用中的分析。
1.功能对比
1.1 薄膜电容器
首先介绍薄膜金属化技术的原理：在薄膜介质表面汽化一层足够薄的金属。在介质中存在缺陷的情况下，该层能够蒸发，从而隔离缺陷点以进行保护，这种现象称为自愈。
图 4 显示了金属化涂层的原理，其中薄膜介质在汽化之前经过预处理（否则为电晕），以便金属分子可以附着在其上。金属在真空下高温溶解蒸发（铝为1400℃至1600℃，锌为400℃至600℃），金属蒸气遇冷膜（膜冷温度）凝结在膜表面-25℃至-35℃），从而形成金属涂层。金属化技术的发展提高了薄膜介质单位厚度的介电强度，干法脉冲或放电应用电容器设计可达500V/µm，直流滤波应用电容器设计可达250V /微米。DC-Link电容器属于后者，根据IEC61071电力电子应用电容器可以承受更剧烈的电压冲击，可以达到额定电压的2倍。
因此，用户只需考虑其设计所需的额定工作电压即可。金属化薄膜电容器具有低 ESR，这使其能够承受更大的纹波电流；较低的 ESL 满足了逆变器的低电感设计要求，并降低了开关频率下的振荡效应。
薄膜介质的质量、金属化涂层的质量、电容器的设计和制造工艺决定了金属化电容器的自愈特性。用于制造DC-Link电容器的薄膜介质主要是OPP薄膜。
1.2章的内容将在下周的文章中公布。
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前一周我们介绍了薄膜电容的绕线工艺，这周我要讲的是薄膜电容的关键技术。
1、恒张力控制技术
由于工作效率的需要，绕组通常处于较高的高度，一般在几微米。而如何保证薄膜材料在高速卷绕过程中的恒定张力尤为重要。在设计过程中不仅要考虑机械结构的精度，还要有完善的张力控制系统。
控制系统一般由张力调节机构、张力检测传感器、张力调节电机、过渡机构等几部分组成。张力控制系统示意图如图3所示。
薄膜电容器在卷绕后需要一定的刚度，早期的卷绕方法是利用弹簧作为阻尼来控制卷绕张力。这种方法在绕线过程中，绕线电机在加速、减速和停止时会造成张力不均，容易造成电容器乱序或变形，电容器的损耗也较大。在收卷过程中，应保持一定的张力，公式如下。
F=K×B×H
在这个公式中：F-泰森
K-张力系数
B-膜宽(mm)
H-膜厚(μm)
例如膜宽=9mm、膜厚=4.8μm的张力。张力为：1.2×9×4.8=0.5(N)
从等式（1）可以推导出张力的范围。张力设定选用线性度好的涡流弹簧，同时采用非接触式磁感应电位器作为张力反馈检测，在收卷电机过程中控制放卷直流伺服电机的输出扭矩和方向，使张力在整个缠绕过程中是恒定的。
2、绕线控制技术
电容铁芯的容量与绕组匝数密切相关，因此电容铁芯的精密控制成为关键技术。电容器芯的绕制通常以高速进行。由于绕组匝数直接影响电容值，因此绕组匝数的控制和计数的控制精度要求较高，通常采用高速计数模块或检测精度较高的传感器来实现。另外，由于要求收卷过程中材料张力的变化尽可能小（否则材料必然会抖动，影响容量精度），收卷必须采用有效的控制技术。
分段调速和合理的加减速、变速处理是比较有效的方法之一：不同的卷绕周期采用不同的卷绕速度；变速期间，加减速配合合理的变速曲线，消除抖动等。
3、脱金属技术
多层材料相互缠绕在一起，需要在外部和界面处进行热封处理。在不增加塑料薄膜材料的情况下，利用现有的金属薄膜，利用其金属薄膜，通过去金属化技术去除其金属镀层，得到外封前的塑料薄膜。
该技术可以节省材料成本，同时减小电容器芯的外径（在芯容量相等的情况下）。另外，利用去金属化技术，可以在芯界面提前去除某一层（或两层）金属膜的金属镀层，避免了断路短路的发生，可大大提高良率的卷芯。从图5可以得出结论，达到同样的去除效果。去除电压设计为可在 0V 至 35V 范围内调节。高速卷绕后必须将转速降低到200r/min到800r/min之间进行脱金属。不同的产品可以设置不同的电压和速度。
4、热封技术
热封是影响绕线电容器磁芯合格性的关键技术之一。热封是用高温烙铁在卷状电容器芯的界面处压接塑料薄膜，如图6所示。为使铁芯不松散，要求粘合可靠，端面平整美观。影响热封效果的几个主要因素是温度、热封时间、芯辊和速度等。
一般来说，热封的温度随着薄膜的厚度和材料的不同而变化。如果同一种材料的薄膜厚度为3μm，热封温度在280℃和350℃之间，而薄膜厚度为5.4μm，热封温度应调整到300cc 和 380cc。热封深度与热封时间、压接程度、烙铁温度等直接相关，热封深度的掌握对于能否生产出合格的电容器磁芯也尤为重要。
5. 结论
通过近几年的研发，国内很多设备厂商已经开发出薄膜电容绕线设备。其中不少在材料厚度、卷绕速度、脱金属功能、卷绕产品范围等方面优于国内外同类产品，具有国际先进技术水平。这里仅对薄膜电容器绕线工艺的关键技术进行简单介绍，希望随着国内薄膜电容器生产工艺相关技术的不断进步，带动我国薄膜电容器制造装备产业的蓬勃发展.
会上，区委书记许林新强调，要深入贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想，全面贯彻落实中央和省、市党委人才会议精神工作。以更大的活力，更务实的举措，更高的追求人才。我们将推动创新，全力推动凉溪成为世界各地人才汇聚、创新创业实现梦想的地方。
同时，会议也充分肯定了梁溪区人才和科技创新工作取得的成绩。大会表彰了引才贡献突出代表、2021年两溪人才计划入选人才、2021年江苏省科技进步奖代表、无锡市科技工作先进单位、无锡市科学先进个人和技术工作。江苏省人力资源服务产业园、2021省工程技术中心、省众创空间、省博士后创新实践基地、北京航空航天大学未来航空航天科技实习实训基地、梁溪学院等载体授牌进修。
宸瑞科技董事长陈东上台表扬。
作为一家在可再生能源（光伏/风电）、工业节能环保、电力系统、轨道交通、新能源汽车、医疗等领域为客户提供可靠电容器解决方案的高新技术企业，宸瑞通过会议精神，公司将一如既往，进一步加快高端工程化、产业化战略人才的培养和引进，打造复合型、国际化的科研人才队伍。并加快核心技术攻关，把宸瑞打造成为“专精特”的标杆企业，推动公司高质量发展。
宸瑞科技将力争成为电力电子换代核心部件国产化的引领者，为谱写“强、新、美、高”新无锡现代化新篇章贡献更多力量！
本周，我们将介绍金属化薄膜电容器绕组技术。本文介绍了薄膜电容器绕线设备所涉及的相关工艺，并对其中涉及的关键技术，如张力控制技术、卷绕控制技术、去金属化技术、热封技术等进行了详细介绍。
薄膜电容器以其优异的特性得到了越来越广泛的应用。电容器作为基础电子元件广泛应用于家用电器、显示器、照明电器、通讯产品、电源、仪器、仪表等电子设备等电子行业。常用的电容器有纸介电容器、陶瓷电容器、电解电容器等。薄膜电容器由于具有体积小、重量轻等优良特性，正逐渐占据越来越大的市场。电容稳定，绝缘阻抗高，频响宽，介电损耗小。
薄膜电容器根据磁芯加工方式的不同，大致分为：叠片式和绕线式。这里介绍的薄膜电容器绕制工艺主要是绕制常规电容器，即由金属箔、金属化薄膜、塑料薄膜等材料（通用电容器、高压电容器、安规电容器等）制成的电容器芯。广泛应用于定时、振荡、滤波电路，高频、大脉冲、大电流场合，屏幕监视器和彩电线路反向电路，电源跨线降噪电路，抗干扰场合等。
接下来，我们将详细介绍绕线过程。电容器绕线的工艺是在铁芯上缠绕金属薄膜、金属箔和塑料薄膜，并根据电容器芯的容量设置不同的绕组匝数。当达到绕组匝数时，切断材料，最后将断口密封，完成电容器芯的绕制。材料结构示意图如图1所示，绕线工艺示意图如图2所示。
卷绕过程中影响电容性能的因素很多，如挂料盘的平整度、过渡辊表面的平整度、卷绕材料的张力、薄膜材料的脱金属效果、断裂处的密封效果、缠绕材料的堆叠方式等，这些都会对最终电容器芯的性能测试产生很大的影响。
密封电容器芯外端的常用方法是用烙铁热封。通过加热熨斗的尖端（温度取决于不同产品的工艺）。在卷芯低速旋转的情况下，烙铁头与电容器芯的外密封膜接触，并通过热冲压密封。密封的质量直接影响芯的外观。
密封端的塑料薄膜往往有两种获得方式：一种是在绕组上加一层塑料薄膜，这样既增加了电容器介质层的厚度，也增加了电容器芯的直径。另一种方法是去除绕组末端的金属膜涂层，得到去除了金属涂层的塑料膜，这样可以在电容器磁芯相同容量的情况下减小磁芯直径。
在上一篇文章中，我们重点介绍了金属化薄膜电容器中两种不同的自愈机制之一：放电自愈，也称为高压自愈。在本文中，我们将了解另一种类型的自愈，即电化学自愈，通常也称为低压自愈。
电化学自愈
这种自愈通常发生在低电压下的铝金属化薄膜电容器中。这种自愈的机理如下：如果金属化薄膜电容器的介质膜有缺陷，给电容器加电压后（即使电压很低），也会有很大的漏电现象。通过缺陷的电流，表现为电容器的绝缘电阻远低于技术条件规定的值。显然，在泄漏电流中存在离子电流和可能的电子电流。由于各种有机薄膜都有一定的吸水率（0.01%～0.4%），而且电容器在制造、储存和使用过程中可能会受潮，离子电流的很大一部分是O2-和H-离子。电解水产生的电流。O2离子到达AL金属化阳极后，与AL结合形成AL2O3，随着时间的推移逐渐形成AL2O3绝缘层覆盖和隔离缺陷，从而提高电容器的绝缘电阻，实现自愈。
显然，完成金属化有机薄膜电容器的自愈需要一定的能量。能量来源有两种，一种来自电源，另一种来自瑕疵段金属的氧化氮化放热反应，自愈所需的能量通常称为自愈能量。
自愈是金属化薄膜电容器最重要的特性，它带来的好处是主要的。但是，也有一些缺点，例如所用电容器的容量逐渐减小。如果容量在大量自愈下工作，会导致其容量和绝缘电阻明显下降，损耗角明显增大，电容器迅速失效。
如果您对金属化薄膜电容器自愈特性的其他方面有见解，请与我们讨论。
有机金属薄膜电容器的最大好处是它们具有自愈性，这使得这些电容器成为当今发展最快的电容器之一。
金属化薄膜电容器的自愈机制有两种：一种是放电自愈；另一种是放电自愈。另一种是电化学自愈。前者发生在较高的电压下，故又称高压自愈；因为后者也发生在非常低的电压下，所以通常被称为低压自愈。
放电自愈
为了说明放电自愈机制，假设两个金属化电极之间的有机膜存在缺陷，电阻为 R。根据缺陷的性质，它可能是金属缺陷、半导体缺陷或不良绝缘缺陷。显然，当缺陷是前者之一时，电容器将在低电压下自行放电。只有在后一种情况下，所谓的高压放电才会自行愈合。
放电自愈的过程是在对金属化薄膜电容器施加电压V后，立即有欧姆电流I=V/R通过缺陷。因此，电流密度J=V/Rπr2流过金属化电极，即越靠近缺陷区域（r越小），其在金属化电极内的电流密度越高。由于缺陷功耗W=(V2/R)r引起的焦耳热，半导体或绝缘缺陷的电阻R呈指数下降。因此，电流I和功耗W迅速增加，结果，在金属化电极非常接近缺陷的区域，电流密度J1=J=V/πr12急剧上升，其焦耳热可以熔化金属化电极。层，导致电极之间的电弧飞到这里。电弧迅速蒸发并甩掉熔融金属，形成没有金属层的绝缘隔离区。电弧熄灭，实现自愈。
由于放电自愈过程中产生的焦耳热和电弧，缺陷周围的介质和介质表面的绝缘隔离区不可避免地受到热损伤和电损伤，从而发生化学分解、气化和碳化，甚至发生机械损伤。
综上所述，要实现完美的放电自愈，需要保证缺陷周围有合适的局部环境，因此需要对金属化有机薄膜电容器的设计进行优化，以达到合理的介质围绕缺陷。缺陷、合适的金属化层厚度、密封环境以及合适的核心电压和容量。所谓完美放电自愈是：自愈时间很短，自愈能量小，对缺陷的隔离性极好，对周围电介质无损伤。为了达到良好的自愈性，有机薄膜的分子中应含有较低的碳氢原子比和适量的氧，这样当薄膜分子在自愈放电中发生分解时，不产生碳且不发生积碳以避免形成新的导电路径，而是产生CO2、CO、CH4、C2H2等气体以气体急剧上升来熄灭电弧。
为了保证缺陷周围的介质在自愈时不被破坏，自愈能量不能太大，也不能太小，以去除缺陷周围的金属化层，形成绝缘（高阻）区，缺陷将被隔离，实现自愈。显然，所需的自愈能量与金属化层的金属、厚度和环境密切相关。因此，为了降低自愈能量，实现良好的自愈，采用低熔点金属对有机薄膜进行金属化处理。另外，金属化层不宜厚薄不均，尤其要避免划伤，否则，绝缘隔离区会变成树枝状，无法实现良好的自愈。CRE电容均采用正规薄膜，同时严格的来料检验管理，将不良薄膜堵在门口，使电容薄膜的质量得到充分保证。
除了放电自愈，还有一种，就是电化学自愈。让我们在下一篇文章中讨论这个机制。
