电动车逆变器大容量电容器:用3μm以下的薄膜做(下)

2011-06-14 16:03:46来源: 技术在线
冲压成偏平状

  这一制作过程其实十分困难。首先必须以平均1小时制作约30km薄膜的速度高速旋转滚筒,同时,还要在既不损伤薄膜、又要使金属厚度均匀的条件下进行蒸镀。如果金属不均匀,就会影响到耐热性。如果不注意金属的冷却方式,也会损伤薄膜。一边通过多种传感器监视贴在滚筒上的薄膜的压力、温度及表面状况等数值,一边对滚筒的旋转速度等进行恰如其分的控制,才能够制成。

  接下来,将制成的电极薄膜按照目标元件的宽度进行裁切,再卷绕数千圈制成电容器元件。在这个阶段,元件呈圆筒形。通过冲压使其变成偏平状(图4)。此次开发的产品以15个元件为一个模块,制成偏平状后,元件无缝隙排列,容易实现小型化。

图4:使电容器元件变得偏平
此次开发的产品平均每个模块使用15个电容器元件。为了提高制成模块时的充填密度,对圆筒形元件进行冲压,使其变成偏平状。

  模块通过从元件的电极引出引线,连接到平坦的铜板上,将其放入树脂造的壳体中组成。壳体的尺寸为:宽约240mm×纵深约170mm,体积为1.25L。

降低元件自身发热

 在第(2)项提及的耐热性方面,此次开发产品的耐热温度达到110℃左右,较以往产品的85℃大为提高。此次不仅采用了近期开发的耐热性较高的薄膜,而且由此避免了制造过程中薄膜因受热而受到损伤。薄膜受热后会变质,导致无法得到薄膜原本的耐热性。

  尤其会产生热负荷的是蒸镀工序。这是因为,高温的金属蒸气要直接施加到薄膜上。在蒸镀时提高冷却滚筒与薄膜的贴附性,以便从内侧进行冷却,尽可能降低蒸镀面的温度。

  要提高耐热性,降低电容器自身的发热至关重要。如果出现自身发热,耐热性会产生实质性下降。例如,如果耐热性为110℃的元件有5℃的自身发热,那么,容许环境的温度就变成了105℃。要降低元件自身的发热,必须在薄膜上均匀地蒸镀金属。金属厚度较薄的部分电阻较大,发热量也会增大。只要电极的一部分比较薄,整体的耐热性便取决于这块较薄的部分。

防止短路及过压

  第(3)项中提及的安全性方面,通过在金属的蒸镀图案上下工夫,降低了发生短路时的不良影响。具体做法不是在整个薄膜表面上都蒸镀金属,而是做成了方格状的图案(图5)。图5中的白线为未蒸镀金属的部分。各个方格之间相互连接,整个薄膜表面起到一个电极的作用。

图5:提高安全性
(a)在对薄膜进行蒸镀时形成方格状图案,以便形成当大电流流过时发生短路的机关。(b)白线为没有蒸镀金属的部分。

  假设方格中有耐压较低的部分,发生短路时就会流过较大的电流,导致发热,连接方格的金属便会蒸发掉。因为该方格部分与其他方格绝缘,因此,不会有更多的电流流过,损害状态便不会进一步扩大。

  要想提高安全性,除了电容器本身的对策之外,不对连接电容器的IGBT等开关元件造成不良影响也至关重要。为此,防止过压(浪涌电压)十分重要(图6)。如果来自电容器的电压过高,超过IGBT的容许值,最坏的情况下会造成元件损坏。

图6:防止IGBT的电压破坏
如何降低电容器的浪涌电压至关重要。为此而降低电感。

  作为对策,理论上可以考虑采用容许电压较大的IGBT、降低开关速度以及增加对策部件等。但如果考虑到整体的成本,选择这些对策都十分困难。IGBT方面,一般而言,容许电压越大则导通电阻越大,损失也会越大。另外,由于线圈及电容器的电阻取决于开关速度,因此,如果降低速度,则必须增大这两者的体积以提高电阻。增加对策部件后,成本也会增加。

  因此,为了在不采取上述对策的情况下抑制过压的方法,就只能降低电感。由于过压取决于电感与电流变化量的乘积,因此,这两者越小,过压也就越小。在此要减小电流变化,则必须降低开关速度,前面提到这将导致体积增大。剩下的办法就只有降低电感。此次开发的产品的电感为5nH左右,与以往产品相比,这仅为以往产品的1/4。

  要降低电感,可以通过减小所卷绕薄膜的宽度,以及增加卷绕数来实现。此次开发产品的薄膜宽度比以往产品减小了约20%,卷绕数增加了数千圈。如果将薄膜的宽度减到比这更小,那么薄膜两端残留下的无法蒸镀部分的比例会增大,容量密度将会下降。

  指月电机制作所今后将继续改进薄膜电容器。为此已经制定了发展蓝图(图7)。除了小型化之外,还将采用更薄的薄膜。我们考虑到2013年采用比目前薄20%的薄膜。另外还将致力于提高耐热性以及减少环境负荷材料等。

图7:到2013年实现进一步小型化
(a)指月电机的薄膜电容器开发目标。(b)熟练运用比现有产品更薄的薄膜,到2013年将体积减小约25%。


关键字:逆变器  薄膜

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0614/article_3868.html
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