El principio del condensador de pulso y la investigación del condensador de pulso de alta densidad de energía

El condensador de pulso puede almacenar la energía de carga de una pequeña fuente de alimentación al condensador en un intervalo de tiempo prolongado y liberar la energía almacenada rápidamente en un intervalo de tiempo muy corto en un momento determinado de necesidad, formando una fuerte corriente de entrada y una poderosa potencia de impacto. .

Características del condensador de pulso

La película de polipropileno metalizado se utiliza como medio, sellada con material aislante de alto voltaje y cubierta aislada. Tiene un excelente rendimiento eléctrico, buena confiabilidad, resistencia a altas temperaturas, tamaño pequeño, gran capacidad y buen rendimiento de autocuración.

Aplicación de condensador de pulso

Los condensadores de pulso se utilizan en dispositivos de prueba de alto voltaje, como generadores de voltaje de impulso, generadores de corriente de impulso y circuitos de oscilación. Además, también se pueden usar en formación electromagnética, formación electrohidráulica, trituración electrohidráulica, soldadura de almacenamiento de energía, prospección de fondos marinos y producción de campo magnético de super impacto de plasma de alta temperatura, fuente de luz de fuerte impacto, láser y otros dispositivos.

Investigación sobre condensadores de pulso de densidad de almacenamiento de alta energía

Los capacitores de pulso de alta densidad de almacenamiento de energía ahora se usan ampliamente en fuentes de alimentación de pulso, equipos médicos, armas electromagnéticas, aceleradores de partículas y protección ambiental. El capacitor de pulso de almacenamiento de energía ha experimentado el desarrollo de estructura de papel/lámina de aluminio, estructura de película de papel y electrodo metalizado estructura. Su densidad de almacenamiento de energía ha aumentado de decenas de J/L a casi kJ/T, y las muestras de laboratorio han alcanzado 2~3kJ/L. Cada aumento importante en la densidad de almacenamiento de energía de los condensadores va acompañado de la aplicación de nuevos materiales o procesos: el agente de impregnación varía desde aceite mineral para capacitores de papel hasta aceite de colza para capacitores de película metalizada; el electrodo varía desde papel de aluminio hasta la capa de deposición de vapor metalizada y el electrodo metalizado dividido; el medio varía de papel a película de papel, a película completa y luego a película compuesta. desarrollar capacitores de almacenamiento de energía de próxima generación.

Condensadores de almacenamiento de energía tempranos

En la década de 1960, el diseño de los condensadores de pulsos de almacenamiento de energía adoptó la estructura de lámina/papel de aluminio impregnado con aceite mineral. El grosor del papel era de unos 8-20 μm, normalmente de 3-6 capas, para escalonar la debilidad eléctrica del papel (~10 piezas/m3). El papel de aluminio de corte por láser se usa generalmente para reducir la influencia de las rebabas del borde del electrodo; la estructura de plomo sobresaliente del papel de aluminio se utiliza para garantizar una mayor capacidad de flujo; la descarga anti-parcial del condensador se mejora aumentando el índice de aromaticidad del aceite mineral utilizado para la capacidad de impregnación. La densidad de almacenamiento de energía de su condensador es ~75J/L (~50J/kg). Aumentar el grosor del dieléctrico puede aumentar el voltaje de trabajo del capacitor, pero la intensidad del campo eléctrico entre los electrodos aumentará en consecuencia, y la distorsión del campo eléctrico y la descarga parcial en el borde de los electrodos serán más graves. El voltaje de trabajo del capacitor de almacenamiento de energía de pulso es generalmente <12kV. Por lo general, la estructura con lámina de aluminio de cadena interna que sobresale (consulte la Figura 1) se utiliza para aumentar el voltaje de trabajo.

Usar aceite de ricino como agente de impregnación es una gran mejora. Tiene las ventajas de una alta constante dieléctrica (4.6) y una buena absorción de gas y resistencia al arco. La desventaja es que la alta viscosidad prolonga el tiempo de impregnación y la pérdida dieléctrica es grande a alta temperatura. La densidad de almacenamiento de energía de los condensadores de almacenamiento de energía con estructura de papel/lámina de aluminio alcanzó los 400 J/kg en la década de 1980.

Condensador de densidad de almacenamiento de alta energía autorreparable

La tecnología de evaporación por metalización se aplicó a los condensadores de almacenamiento de energía en la década de 1970. El electrodo del capacitor de película metalizada está compuesto por una capa muy delgada de metal (generalmente aluminio o zinc aluminio) evaporada sobre la película orgánica, y su espesor es de solo 20-100 nm. Los defectos o impurezas existentes en la película durante el proceso de producción, donde la fuerza eléctrica es menor que el área circundante, se denominan debilidades eléctricas. A medida que aumenta el voltaje aplicado, la película en el punto débil eléctrico primero se descompone para formar un canal de descarga, y la corriente de descarga provoca una alta temperatura local y el metal extremadamente delgado en el punto de ruptura.

La capa se calienta para que se evapore rápidamente, se difunda hacia el exterior y restaure el aislamiento. Debido a que la ruptura local no afecta a todo el capacitor, este proceso se denomina "autorreparación" (consulte la Figura 2 para conocer el principio). El proceso de autorreparación se ve afectado por factores como el voltaje aplicado, la capacitancia del objeto de prueba y el grosor de la capa de metal, y el nivel de energía disipada suele ser de μJ a mJ. El área de autocuración suele ser de unos pocos mm2 ~ cm2, y el condensador puede continuar funcionando después de la autocuración. Una pequeña cantidad de gas, agua, carbono y otras sustancias generadas por reacciones químicas en la autocuración afectarán negativamente algunos parámetros eléctricos del capacitor, como la resistencia de aislamiento y la pérdida dieléctrica, pero a menos que ocurra una gran área de autocuración, es generalmente muy débil, cuando el condensador de película metalizada está funcionando, su capacitancia disminuirá gradualmente, y después de una disminución del 5%, la tasa de disminución aumentará considerablemente y la resistencia de aislamiento del condensador disminuirá considerablemente. Por lo tanto, la caída de capacitancia del 5% se utiliza como indicador del final de la vida útil del capacitor.

El condensador de película metalizada previene eficazmente la falla del condensador causada por una sola debilidad eléctrica, prolonga en gran medida la vida útil y la reducción del volumen/peso del electrodo también mejora en gran medida la densidad de almacenamiento de energía. Sin embargo, la estructura delgada del electrodo y la forma de conexión rociada con oro en el extremo limitan la capacidad de flujo, por lo que no se puede aplicar al campo de descarga de pulso empinado de alta corriente (nivel ns-μs). Engrosar el borde del electrodo y mejorar la pulverización de oro al final puede mejorar la capacidad de flujo del final. Los condensadores de película metalizada se han utilizado ampliamente en el campo de la descarga de pulsos lentos (nivel de ms) en los últimos años, como marcapasos médicos y armas de lanzamiento electromagnético, etc.

Además de la película de polipropileno, los materiales de película como poliéster, policarbonato y fluoruro de polivinilideno también se utilizan en condensadores metalizados. En particular, la constante dieléctrica de la película de fluoruro de polivinilideno alcanza 11, lo que puede hacer que la densidad de almacenamiento de energía del capacitor alcance un nivel muy alto. Pero es un medio polar fuerte, la constante dieléctrica cambia mucho con la frecuencia, la eficiencia de descarga del capacitor es relativamente baja y el costo es alto. Por lo tanto, los condensadores de fluoruro de polivinilideno solo se utilizan en campos especiales, como las armas militares de lanzamiento electromagnético.

Maxwell, Averovox y ABB están a la cabeza en investigación, desarrollo y producción de condensadores de película metalizada con alta densidad de almacenamiento de energía. Maxwell suministró el banco de condensadores autorregenerables de 52MJ para el ejército de EE. UU. en 1991. Los parámetros de un solo condensador son 206 μF, 24 kV, 50 kJ, la densidad de almacenamiento de energía es 930 J/L y la vida útil del diseño es 5000 veces la carga y descarga. La densidad de almacenamiento de energía del capacitor de papel Kraft metalizado KM investigado por Averovox y el Laboratorio Nacional Livemore de los Estados Unidos para el Dispositivo Nacional de Encendido de los Estados Unidos es 770J/L, y la densidad de almacenamiento de energía del capacitor de película de polipropileno metalizado es 850J /l El capacitor de película metalizada tipo CM proporcionado por Maxwell para NIF tiene una densidad de almacenamiento de energía de 840J/L y una vida útil de >20,000 veces.

Tendencia de desarrollo

Con la investigación en profundidad sobre el mecanismo de descomposición de los polímeros y el mecanismo de autorreparación de los electrodos metalizados, algunos materiales y procesos nuevos se han aplicado o se han aplicado gradualmente al campo de los capacitores.

Película metalizada de electrodo dividido

La aplicación de la película metalizada de electrodo dividido amplía en gran medida el concepto de autorreparación y proporciona una protección secundaria para el condensador, por lo que se denomina película de seguridad. La película de seguridad está hecha por evaporación en bloque y tecnología de evaporación no uniforme. Se compone de innumerables bloques de película divididos, y los diferentes bloques de película solo están conectados por cables metálicos de evaporación muy delgados (consulte la Figura 3).En la Figura 4 se muestra una estructura de condensador de película de seguridad. Cuando se produce una ruptura en un bloque de película, el punto de ruptura se reparará solo; la carga en el bloque de película intacto fluye hacia el bloque de película rota a través del cable de metal y el cable se evapora instantáneamente por la alta corriente, cortando así la conexión eléctrica entre el bloque de película de ruptura y el área circundante, logrando una protección secundaria y asegurando una buena autocuración del capacitor (Ver Figura 5).La aplicación de la película de seguridad supera el defecto de que la parte de autorreparación de los capacitores de película metalizados comunes es propensa a la ruptura secundaria y permite que el medio de almacenamiento de energía funcione cerca de su fuerza de campo límite,mejorando en gran medida la densidad de almacenamiento de energía y el rendimiento de seguridad del condensador.

Los estudios han demostrado que la desconexión de los hilos metálicos de algunos bloques de película más lejanos no se debe a la evaporación térmica, sino a la tensión mecánica provocada por la diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre la película y el metal evaporado. Cómo elegir la mejor esquema de evaporación de metalización y mejorar la adhesión entre el metal evaporado y la película base queda por estudiar más a fondo. La investigación de ABB muestra que la elección de una película dieléctrica adecuada puede aumentar la vida útil del condensador en más de 10 veces, y un diseño de electrodo metalizado exitoso puede aumentar la vida útil del condensador en más de 6 veces.

Aplicación de película compuesta

Las películas que se utilizan actualmente en condensadores metalizados incluyen polipropileno, poliéster, policarbonato, fluoruro de polivinilideno, etc. Estos materiales tienen sus propias ventajas y desventajas, y las densidades de almacenamiento de energía de sus condensadores dieléctricos han alcanzado o se han acercado al valor límite. La película dieléctrica compuesta es un nuevo tipo de medio de almacenamiento de energía. Su principio es componer una capa delgada de material dieléctrico sobre una película base para que tenga un rendimiento más excelente. Diferentes materiales compuestos también tienen diferentes propiedades. Se están desarrollando películas compuestas como películas cerámicas compuestas, películas compuestas de PVDF y películas de diamante para condensadores, todas las cuales tienen excelentes propiedades eléctricas. Entre ellos, la película compuesta de diamante se forma al evaporar una capa delgada de recubrimiento de diamante sobre la película de base dieléctrica. Tiene excelente conductividad eléctrica y térmica y estabilidad química y ha atraído mucha atención. Los condensadores fabricados con él son especialmente adecuados para el campo de la alta densidad de almacenamiento de energía. Los condensadores de película compuesta aún se encuentran en la etapa de laboratorio debido al costo y otras razones.

Contacto final mejorado

El contacto rociado con oro al final del capacitor de estructura de electrodos metalizados limita la aplicación del capacitor en muchos campos, especialmente el campo de descarga de pulso pronunciado de alta corriente. El deterioro del contacto entre el oro rociado al final y el borde del electrodo es también una de las principales causas de falla de los capacitores metalizados. El deterioro de los contactos rociados con oro en los extremos de los capacitores de pulso de alta densidad de almacenamiento de energía se ve afectado por factores como los efectos térmicos de la corriente de descarga, los efectos mecánicos y las descargas parciales en los bordes de los electrodos. En el caso del mismo efecto térmico, el daño del contacto final causado por el pulso de corriente con un pico de corriente grande es relativamente grande.

Es eficaz para aumentar la superficie de contacto entre el spray de oro y el electrodo y para mejorar la distribución del campo eléctrico en el borde del electrodo (como usar una estructura impregnada de aceite). El primero puede adoptar el método de engrosamiento del borde del electrodo. Averovox utiliza una película de poliéster metalizado de doble cara como electrodo, y una película de polipropileno como estructura dieléctrica tiene una mejor capacidad de flujo y resistencia a altas temperaturas al final del capacitor.

Similar a la película compuesta, los materiales compuestos rociados con oro también pueden mejorar el flujo final. Cuando rocíe oro, primero rocíe una capa de metal de bajo punto de fusión (como zinc o estaño), debido a su alta resistividad, espere a que se solidifique y se enfríe, y luego rocíe una capa de material de baja resistividad (como cobre). Aunque el cobre tiene un alto punto de fusión, no se rocía directamente sobre la película metalizada, evitando así dañar la película. Una relación adecuada de los dos puede reducir en gran medida el calentamiento causado por el contacto final y mejorar la capacidad de flujo del condensador.

Con el avance de la ciencia de los materiales, la aparición de una gran cantidad de nuevos materiales dieléctricos y la mejora de la tecnología, se espera que se pongan en uso condensadores con una densidad de almacenamiento de energía de 2-3 kJ/L.