薄膜电容的种类和用途

“ 本篇介绍薄膜电容，主要参考TDK、Epcos和法拉等电容器厂商技术文档。分五小节介绍 ：第一节介绍薄膜电容的种类和用途；第二小节简单介绍薄膜电容的结构和生产加工工艺流程；第三小节为薄膜电容主要性能参数的变化特点；第四节介绍安规电容参数；第五小节介绍薄膜电容使用中需要关注的地方。”

01

薄膜电容的种类和用途

图1.薄膜电容器的分类

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）

聚丙烯（PP）

聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）

塑胶薄膜电介质的特性（典型数值）如下：

电力电子使用较多的是聚酯和聚丙烯电容，其特征分别如下

1） 聚酯电容/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）

聚酯电容（CL）是用两片金属箔作为电极，以聚酯（涤纶）作为介质。聚酯电容的介电常数较大，体积小，容量大，稳定性较好，适宜作为旁路电容。

电容量：40pF-04uF

额定电压：63-630V

特点：精度、损耗角、绝缘电阻、温度特性、可靠性及适应环境等指标都比电解电容和瓷片电容要好；小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差。

应用：对稳定性和损耗要求不高的低频电路。

2）聚丙烯电容（PP）

聚丙烯电容（CBB）其性能与聚苯乙烯电容相似，但体积小，稳定性略差。

电容量：10pF-10uF。

额定电压：63-2000V。

特点：其性能与聚苯乙烯电容相似，但体积小，稳定性略差。

应用：用于要求较高的电路，适宜作为旁路电容使用。

02

—

薄膜电容的结构和生产加工工艺流程

2.1 薄膜电容的结构

图2.薄膜和金属箔排列结构

图3.不同电容器系列的薄膜和金属箔排列结构

2.2 薄膜电容的生产工艺流程

1）卷绕工艺

是常规的生产工艺是将金属化薄膜或薄膜/金属箔卷绕成圆柱型芯子，然后使用绝缘套管或树脂进 行封装制成。

2）叠片式工艺

采用叠片生产工艺时，将金属化薄膜卷绕在在直径高达60厘米的圆盘上。通过定义明确的卷绕圈数 生产“主电容器”

图4. 薄膜电容器的工艺

03

—

影响薄膜滤波效果的模型参数

3.1 电容的电压

1）电容的交流电压与频率的关系

当频率升高到一定程度时，薄膜电容器允许施加的电压将随频率的升高而降低。

2）电容的最大直流电压与温度的关系

最大允许直流电压vs. 温度如下

3.2 电容量

1）电容量与温度的关系

电容容值在上限类别温度与下限类别温度之间的温度范围内会发生可逆变化。电容值/温度曲线的 斜率由电容的温度系数给出，该系数被定义为T1到T2温度范围内，相对于(20±2) °C下测得电容值的 平均电容变化。该系数以单位10-6/K表示。

温度系数本质上是由电介质的特性、电容器结构和制造参数决定的。聚丙烯电容器具有负温度系 数，聚酯电容器具有正温度系数。

电容容值随温度的可逆变化通常表示为ΔC/C。各种电容器型号的典型温度特性如下

2）电容量与湿度的变化

塑胶薄膜电容器的容值会随着环境湿度的变化产生可逆的变化。对于不同的电容结构设计，薄膜介 质状态以及薄膜间的气隙状态都会随环境湿度的变化而变化，从而影响容值大小。

湿度系数βc被定义为湿度变化1%时（恒定温度下）测定的相对电容变化。

表中给出的βc值在相对湿度50%到95%范围内有效。相对湿度低于30%时，湿度系数相对较低。相 对湿度高于85%时，电容容值的变化会比较大。

下图显示了各种电容器型号的典型电容/湿度特性。

3）电容随频率的变化

对于聚丙烯电容器（PP - MKP，MFP），在1MHz范围内电容值几乎不受频率影响。但是对于聚酯电容器（PET - MKT），特别是PEN电容器（聚萘二甲酸乙二醇酯，MKN），频率对 电容容值的影响非常明显：

4）电容随时间的变化

除了上述变化外，电容器的电容容值还会随时间出现不可逆的变化，定义为容值偏移i z = |ΔC/C|。电容容值的偏移给出最高温度40 °C，两年的时间内，电容容值最大的变化率（参见下表）。这里 不考虑温度变化（βc）和相对湿度变化（αc）的影响。

电容容值的偏移会随着时间推移逐渐稳定，从而保证电容的长期稳定性。然而，如果电容器在上限 类别温度附近频繁出现大幅度的温度和湿度变化，则电容容值的偏移有可能会超过规范值。

3.3 阻抗，谐振频率

阻抗Z代表元件对电流的阻碍作用，是元器件的自然属性因此，它对交流应用和纹波电流能力特别重要

薄膜电容器的典型阻抗特性如下：

在低频段下，容抗（电容性电抗）XC = 1/2πf · C占优势，而在非常高的频率下，感抗（感应电抗） XL = 2πf · LS占优势。当容抗与感抗相等时，发生自然谐振。此时容抗与感抗互相抵消，阻抗等于 ESR。因此，自然谐振频率可由下式给出：

3.4 损耗因数

1）损耗因素与频率的关系

2）损耗因数随温度、湿度和电压的变化

3.5 脉冲承受能力

具有快速电压变化的电压脉冲将导致电容器中出现强峰值电流快速变化的电压脉冲会在电容器中产 生很高的脉冲电流。这些电流在喷镀金属与薄膜金属镀层的接触区域会生成热量。热量足够大时会 损坏这些区域，因此需要限制施加在特定电容器上的脉冲。

脉冲电压变化率dV/dt

如果峰值电流ip只和单个电压脉冲有关，那么脉冲电压的最大变化率可表示为：dV/dt=ip/c

dV/dt的最大值在电容器的规格书中给出。单位为V/μs。

04

—

抑制电源电磁干扰用电容器

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，还会有异常脉冲电压（如闪电）发生，这可能会导致电容器冒烟或者起火。所以，跨线电容器其安全标准在不同国家有严格规定。请使用经过安全认证型电容器。不允许将直流电容器用作跨线电容器。

4.1 X 类抑制电源电磁干扰用电容器

适用于在电容器失效时不会导致电击危险的场合,分为 X1，X2 二个类别(参见下表)。

4.2 Y 类抑制电源电磁干扰用电容器

适用于在电容器失效时会导致电击危险的场合，分为 Y1，Y2，Y4 等三个类别(参见下表)。

05

—

使用中的可靠性需要关注的地方

可靠应用关注点：

1）工作电压状态

薄膜电容器的选用取决于施加的最高电压，并受施加的电压波形、电流波形、频率、环境温度（电容器表面温 度）、电容量等因数的影响。使用前请先检查电容器两端的电压波形、电流波形和频率（在高频场合，允许电压随 着电容器类型的不同而改变，详细资料请参阅说明书）是否在额定值内。

2）工作电流

通过电容器的脉冲（或交流）电流等于电容量 C 与电压上升速率的乘积，即 I=C×dV/dt。

由于电容器存在损耗，在高频或高脉冲条件下使用时， 通过电容器的脉冲（或交流）电流会使电容器自身发热而有温升，将会有热击穿（冒烟、起火）的危险。因此，电容器安全使用条件不仅受额定电压（或类别电压）的限制，而且受额定电流的限制。

工作电流被认为是由击穿模式决定的脉冲电流（峰值 电流，即由 dV/dt 指标所限制的）和连续电流（以峰峰值或 有效值表示）组成，当使用时，需确认这两个电流都在允许范围之内。