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电容器击穿机理


一、击穿理论
1、热击穿
电容器的热击穿是由于介质中某些“弱点”处(或整个绝缘层中)热平衡状态受到破坏, 使电容器内部温度不断升高,当超过介质的最高极限温度时,引起的击穿。 电容器的热击 穿只有当介质电导(直流下)和损失角正切(交流下)随温度的升高而增大时,才有可能。根据 热击穿理论, 可对工作在高温下的电容器进行热计算目前已得出两种理想情下热击穿电压公 式,

即极板为无限大的平 板电容器(当热流方向垂直于极板时)和无限长圆柱形电容嚣(热流 为径向)。这两种电容器结构示于图 6--1 7 中。电容器愈是接近这两种理想情况,则按热击 穿电压公式计算的结果愈符合实际情况。

Tpad 工作温度 tkp——临界温度

当热流垂直于极板时,平板形电容器的热击穿电压为 U =φ c
140λ αγ o

(6-31)

式中: ——电容器介质的导热系数,单位为瓦/厘米·℃。 γo ——环境温度时的有效电导,单位为 1/欧·厘米。 ——介质有效电导的温度系数,它满足下列关系 =γ1 eα(T?T 1 ) φ c ——电容器的几何尺寸和冷却条件对击穿电压影响的参数 c 的函数,c 为

c=

λ c ad

2λ(λ c +αd c )

(6—32)

式中:λc ——电极材料的导热系数,单位为瓦/厘米·℃。

——散热系数,单位为为瓦/厘米·℃。 ——介质厚度,单位为厘米 dc ——极板厚度单位为厘米
在直流电压下,有效电导γ =
1 ρv

,其中ρv 为介质的体积电阻

率,单位为欧·厘米。 直流下电容器的热击穿场强为 Eb =
Ub d

= 11.8

φ c d

λρ o α

(6 33)

ρo 可按电容器在环境温度时的时间常数计算,即 ρo = 0.884ε × 1013 (欧·厘米)
RC

式中τ =RC 以秒或兆欧·微法计。因为 RC 与电压有关,这里的 应为接近热击穿电压时 的数值。RC 与温度的关系可表示为 lg()2 =lg(RC)1 ? β(t2 ? t1 ) (6 3 5) 根据两个不同温度(t1 和t 2 )的时间常数(RC)1 和()2 可确定系数 ,这时 =
β lge

= 2.3β。

表 6- 5 列出不同 c 时的φ c 值。C 越大 φ(c)越大

交流下的有效电导为 γ=
εf tan δ 1.8×10 12

(6_36)

交流下的热击穿电场强度为 Eb = 15.87 × 106
φ c d λ αfε tan δ o

(伏/厘米)

若tan δ与温度的关系满足下式, lgtan δ = A + α1 t ? t1 则计算Eb 时,可取α = 2.3α1 式(6—37)中tan δ为环境温度t o 时介质的损失角正切。 只有当t o 大于介质因受热tan δ开 始上升时的温度t1 时,式(6—37)的计算才有意义 出处:天津大学无线电材料与元件教研室 书名: 《电容器》

2、电击穿机理(电场)
电容器在电场作用下, 瞬时发生的击穿为电压击穿。其机理是电容器介质中的自 由电子在强电场作用下,碰撞中性分子,使之电离产生正离子和新的自由电子, 这种电离过程的急剧进行,形成雪崩式的电子流,导致介质击穿。这类击穿是环 境温度不高的情况下, 一般发生在介质损耗小,内部结构比较均匀的固体介质中 击穿的发生与施加电压的时间和环境温度无关,主要取决于介质的微观结构,也 和介质厚度、电极面积等因素有关。 电机械击穿 在熔融或软化温度区附近, 聚合物的击穿特性类似于其力学特性的改变.击 穿是由外电场作用下麦克斯韦应力产生的机械形变所致. 例如, 在击穿试验过程中附在聚合物样品表面上的电极将通过外加电压产生 的库仑引力而对样品施加一个压缩力. 这个压缩力足以引起聚合物产生明显的形 变.设贮存于体系的能量为 W,样品厚度为 d,则吸引力 F= ?d = ?d (2 CV 2 )
?W ? 1

(3.128)

其中 C 为电容量,y 为电极上的电压.若样品的面积为 A,介电常数为 8,则上 式给出单位面积上的压缩力为
F A

= 2 εε0 ( d )
V 2

1

V

2

(3.129)
d

若样品的杨氏模量为 y,零外场时厚度为 d。 ,则电力与弹性力平衡时有
1

εε0 ( d ) =Yln? d )(3.130) ( 2
0

在给定电压 V 下,d2 2ln( d0 )在(d )≈0.6 时达到极大值.因此当(d )<0.6 时弹性
0 0

d

d

d

力就不足以和电引力相平衡. 超过此值相应的电场Ec , 电压 V 进一步增加将引起 聚合物机械崩溃.临界电场为 Ec = ( εε )
0

Y

1/2

(3.131)
1/2

可以观察到的最高视在电场强度 Ea = d Ec ≈0.6( εε )
0 0

d

Y

(3.132)

电机械击穿常发生于类橡胶聚合物,使这类介质具有较低的介电强度.

边缘效应 电容器在电场作用下, 瞬时发生的击穿为电压击穿。其机理是电容器介质中的自 由电子在强电场作用下,碰撞中性分子,使之电离产生正离子和新的自由电子, 这种电离过程的急剧进行,形成雪崩式的电子流,导致介质击穿。这类击穿是在 环境温度不高的情况下, 一般发生在介质损耗小,内部结构比较均匀的固体介质 中。 击穿的发生与施加电压的时问和环境温度无关,主要取决于介质的微观结构 也和介质厚度、电极面积等因素有关。 对于 MLCC 来说,发生电击穿除了与这些提到的因素有关外,还与其内部电极的 边缘电场畸变有更为直接的关系。在 MLCC 的内部,电场分布情况如图 2 所示, 在 A、 两点的左侧, B 邻近的两个金属电极平行相对, 是典型的平板电容器结构, 内部分布着匀强电场 E, 。而在 A、B 两点的右侧,上面一层是短电极,金属电极 层在 A 点被陶瓷介质阻断, 与相邻的外电极 CD 不相连; 下面一层是金属长电极, 与外电极在 C 处紧密连接。这种长短不齐的结构,造成了电场的畸变,使之在 ABCD 的区域内为非均匀电场。可以按图 3 所示的方式,在陶瓷介质中做两个柱 形高斯闭合面。 它们一个是在均匀电场内的长方形柱体, 另一个是在非均匀电场、 但与均匀电场交界的梯形柱体;它们的上、下底面均与金属电极平行,下底S4 、 S5 取在金属电极层内,上底S1 、S2 取在陶瓷介质中,并靠近金属电极层。设金属 电极层内的电荷密度均为σ。

对于均匀电场内的长方形柱体,在金属下电极层 内 E=0,D=0,故S5 上无通量;侧壁可视作电力管, 与电力线平行,也无通量,唯一有通量的是在S1 面上

则包围在此闭合高斯面内的自由电荷Q1 =σS5 ,它分布 在金属下电极层内侧的表面上,故按照有介质时的高 斯定理有: ?SD1 dS = Q1 = σS5 = D1 S1 (1) 式中,D1 为匀强电场E1 】中的电位移矢量。 同理,对于非匀强电场内的梯形柱体,在金属下 电极层内 E=0,D=0,故S4 上无通量;侧壁亦可视作 电力管,与电力线平行,也无通量,只有在S2 面上有 通量,包围在此闭合高斯面内的自由电荷 Q2=σS4 有 ?SD3 dS = Q2 = σS4 (2) 式中,D3 为电场E3 中的电位移矢量。当S2 中的边长 b 取得足够小,则D3 可近似为均匀,同时考虑到D3 与S2 的外法线方向存在夹角θ,有 ?SD3 dS = D3 S2 cosθ = Q2 = σS4 (3) 如果S4 = S5 , ,由于金属电极内的电荷密度σ处处相 等,则有 Q1=Q2,或者 D1 S1 =D3 S2 cosθ (4) 根据电位移矢量 D=εε0 E,所以
E 3 cos θ E1

= E 2 = S2 /S1
1

E

(5)

因为 b 足够小,S2 很小,因此有S1 /S2 >>1,即 E2>>E1。 这说明在 A 点的电场强度 E2 要远大于匀强电场 El。 以上分析只是在下电极 BC 段上,从图 2 可以看到, 外电极 CD 段的 E4 对 E2 方向上的电场强度也有贡献, 所以 A 点的实际电场强度比所分析的 E2 还要强。

二.影响因素
1、介质厚度影响
电容器的工作电压较低时。可以选择较薄的介质,而工作电压较高时,介质的厚 度必须相应增加。 但这并不意味着低压电容器工作场强就低,而高压电容器工作 场强就高。 为了充分发挥介质的功能,使其能在较大的场强下工作而又不致于损 坏,必须正确选择介质厚度。 在讨论电容器的介质厚度对击穿电Ub (或击穿强度Eb )的影响时。考虑到击穿 的分散性,常用平均击穿电压Uba (或平均击穿强度Eba )。相对于每一介质厚度, 电容器的Ub (或Eb )都可以作出一条如图 6—1 所示的曲线。若取Uba (或Eba ),则可 作出一条电容器的Ea 与介质厚度 d 的关系曲线射Eba =f (d)如图 6—2 所示。 从上图看出, 在较小厚度的范围内(d<dbe ), ba 随介质厚度 d 的减小而降低, E 这是因为介质中薄弱点(导电微粒或孔洞)的影响随厚度降低而增加所致。在较大 厚度范围内(d>dbe ),电容器的Eba 随 d 的增加而减小。这是因为随着 d 的增加, 极板边缘电场不均匀性增大, 有可能使击穿区域从介质内部转移到边缘, 这时Eba 并非由介质的性质决定。 而是与电容器芯子的结构有关,各种有机介质电容器就

是属于这种情况。对于无机介质电容器(例如陶瓷),由于工艺水平限制,随着介 质厚度 d 的增加, 介质内部的气隙或薄弱处大大增加, 其内部结构的不均匀性更 为突出。因此,虽然可以采取使边缘电场均匀的结构,但仍无法消除介质内部结 构的不均匀性,以致Eba 仍可能有所下降。 从图 6—2 看出,只有在某一最佳厚度dbe 时Eba 达最大值(Eb )max,若介 质厚度选择在dbe 附近,此时电容器可能具有最大的Eb 值。



6-1

2、极板面积的影响
在计算大容量电容器时, 必须考虑到随着极板面积的增大,介质的瞬时击穿强度 将降低。这是由于此时在电场作用下的薄弱点增加,其击穿的可能性也增加。大 容量的纸介电容器就是突出的例证, 在介质厚度不大的情况下(例如二、 三层纸), Eb 的平均值与电极面积(或容量)的关系, 可用一下降的直线表示, 其经验公式为: Eb =a – blgC 或Eb =a′ - blgS 式中:S——极板面积 C——电容量 a 、a‘ 、b——一定厚度的某种介质的电容器的常数 上式中的系数 a 和 a’是单位电容量和单位极板面积情况下之瞬时介电强度,它 在很大程度上与介质厚度有关。 纸介电容器的瞬时介电强度与容量的关系示于图 6-5 中,曲线 1,2 为凡士林浸渍,3,4 为油浸纸介电容器。曲线 1,3 的厚度为 3 微米,而曲线 2,4 的厚度为 2*8 微米(所用纸的密度为 1.2 克/厘米 3) 。显然, 上列曲线与式(6-8)是完全符合的

出处书名: 《电容器性能与设计计算》 作者: 谢道 第:194、195、197 页

3、介质表面平整度影响
在测试电压低于两端电极之间空气击穿电压时, 部分样品仍然因瓷体表面放电被 击穿。从理论上分析,陶瓷电容器的带电量 Q=CU。而带电导体表的电场与表面 的电荷密度成正比 E=δ /ε 0,而表面的电荷密度与导体的曲率半径ρ 成反比δ ∝1/ρ 。由于端头与瓷体结合的部分不是很平整。在放电的地方,端头有明显凸 出的地方,形成尖端,曲率半径则变得很小,而表面的电荷密度变得很大,因而 电场比其它的地方大很多。 由于空气中总是存在着一些正负离子,这些离子在尖 端附近强电场作用下加速, 获得相当大的动能,这些离子在运动过程中和空气分 子以及瓷体表面其它杂质分子相碰,空气分子和瓷体表面杂质分子被电离成电子 和正离子,与尖端异号的空气中的离子吸引到尖端,与尖端电荷中和形成电晕。相 同的电荷沿着瓷体边面推向另一端电极,形成导通,则样品被击穿。

2.1 在直流高电压下,产品内部电极烧毁或瓷体炸裂原因用 1.2 倍额定电压测试该样品,则 有部分样品被烧焦或炸裂。经分析发现在烧焦或炸裂的地方,都有一个电极节瘤(如图 1, 2) ,这个节瘤在内电极上形成一个球形导体。从理论上分析,如果将导体球放入静电场强度 E0 的电场之前不带电,Q=0,即φ r=φ 0 ,且取 r=0 处电势φ 0 =0,则有: φ (r,θ )=–E0 r cosθ +E0 R3 cosθ/r3 (r≥R) E(r,θ )=E0 +R3 (3 E0 3 cosθ e1–E0 )/r3 式中:θ 为电场强度 E 方向为极轴的极角;r 为极径;R 的半径。 可以看出θ =π /2 时,cosθ =0,则φ (r,θ )=0,E(r,θ )=E0 θ =π /2,r=R 时,cosθ =0,则φ (r,θ )=0,E(r,θ )=3E0 所以凸点最高点的电场强度是平行板上的 3 倍。 在静电场中电容器的损耗表现为介质的漏电损 耗,即: P=I 2 R=U 2 /R=γE0 2 Sd(1) 式中:S 为极板的面积,单位为cm2 ;γ 为电容器介质的体积电导率,单位 1/( ·cm) ;E 为电场强度,单位为 V/cm;电容器的内部温升为: t=Pd/8sλ (2) 式中:λ 为导热系数;d 为介质的厚度,单位为 cm。将 (1) 代入(2)式得: t=γE0 2 d2 /8λ (3) 为平板电极的内部温升。在静电场中 E=3E0 ,代入(3)式得: t=9γE0 2 d2 /8λ(4) 为球顶点内部温升。 上式说明, 顶点处的温升比平板处的温升要高 9 倍左右。 在低压时, 对瓷体的影响不是很大, 但是在高压下,内部的温升梯度非常大,造成瓷体局部膨胀相差很大,从而造成瓷体局部烧 毁炸裂或炸裂。

论文出处:片式高压多层陶瓷电容器击穿问题的研究 作者中文名:曾祥明,康雪雅,张明,赵根妹,周家伦

4.介电常数 5、电压作用时间
若外加电压作用实际那很短(如 1/10 秒以下) ,而固体绝缘就被击穿,则这种击穿很可能是 电击穿。 如电压作用时间较长 (几分钟到数十小时) 才引起击穿, 则热击穿往往是重要因素。 有时二者很难分清, 例如在交流一分钟耐压试验中的试品被击穿, 则常常是电和热的双重作 用。电压作用时间长达几十小时甚至及几年才击穿时,则大多属于电化学击穿范围。为了准 确判明击穿的原因,还应根据击穿现象作具体分析,不能单纯以时间来衡量。图 3.5——1 中,以常用的油浸电工纸板为例,以 1 分钟工频击穿电压值作为 100%,则在长期工作电压 下的击穿电压值仅为其几千之一, 这是电化学击穿的缘故。 很多有机绝缘材料的短时间耐电 强度很高,但它的游离性能往往很差,以致长时间耐电强度很低,使用时必须注意这一点,

见图 3-5-2 在不可能用浸油等方法来消除游离放电的绝缘结构中(例如高压电机中),就必 需要采用云母等特别耐游离和电晕的无机绝缘材料。.

6、温度 如图 3-5-3 所示,周围温度在t 0 以下时,聚乙烯的耐压强度很高,且与温度关系很小,这时 发生的击穿属于电击穿;在t 0 以上时属于热击穿。周围温度愈高,散热条件愈差,热击穿电 压就愈低。不同材料的转折温度t 0 是不同的。即使同一材料,材料愈厚,介质损耗愈大,散 热愈困难,t 0 就愈低,即导致热击穿的环境温度就愈低。

7、电场均匀程度
在均匀电场中, 均匀致密介质的击穿电压往往较高, 且与介质厚度接近线性关系 (见图 3.5-4 曲线 1 及 2) 。但在不均匀电场中,随着介质厚度的增加,电场将更不均匀,击穿电压已不 随厚度成正比例上升。在这种状况下,平均击穿场强与电场分布的均匀程度有关。如因介质 厚度增加,使散热困难,而可能出现热击穿,增加厚度的意义就更不大了。

8、湿度
空气中湿度过高 l 时,水膜凝聚在电容器外壳表面,可使电容器的表面绝缘电阻下降此 外,对于半密封结构电容器来说,水分还可渗透到电容器介质内部·使电容器介质的绝缘电 阻绝缘能力下降。因此,高温、高湿环境对电容器参数恶化的影响极为显著。经烘干去湿后 电容器的电性能可获改善,但是水分子电解的后果是无法根除的。例如,电容器工作于高温 条件下,水分子在电场作用下电解为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH),引线根部产生电化学腐 蚀。即使烘干去湿.也不可能使引线复原。


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