Influence of electrodes configuration on metallized film capacitor performance metrics

Abstract

The aim of the study is to reveal the influence of the electrode configuration of metallized film capacitors on their characteristics and performance under conditions typical of power electronics. Presently used electrodes configurations are summarized, their benefits and disadvantages are ana-lyzed. We showed that currently used metallized film capacitors electrodes configurations, ensuring reliable self-heling, have too high equivalent resistivity. Authors propose to introduce a hybrid type of electrode for metallized film capacitors. We showed the influence of the capacitor electrodes on its performance under the conditions typical of power electronics and experimentally studied the effect of the electrode thickness on the breakdown strength. The breakdown strength of polymer films with var-ious metallization thickness was determined using common dielectric testing methodology. We found out that the breakdown strength follows Weibull distribution and slightly depends on vacuum sput-tered metal thickness, unlike previous studies results. The effects from the fracture of electrodes caused by electrical discharges occurring during self-healing of metallized film capacitors are demon-strated experimentally. It was established the prominent influence of electrical explosion and micro-arc destruction of metallized electrode on polymer film breakdown strength. The results of numerical and analytical calculations of equivalent electrode resistivity for various configurations are presented. Comparative calculations of the surface resistance and active area of segmented and hybrid electrodes showed the advantage of the latter. We experimentally established that at comparable process dura-tions the deposited energy for the fracture of hybrid electrodes was less than for segmented ones.

Scopul studiului este de a releva influența configurației electrozilor condensatoarelor cu peliculă metalizată asupra caracteristicilor și performanței acestora în condiții tipice electronicii de putere. Sunt rezumate configurațiile electrozilor utilizați în prezent, sunt analizate beneficiile și dezavantajele acestora. Am arătat că configurațiile electrozilor de condensatoare cu peliculă metalizată utilizate în prezent, care asigură auto-heling fiabil, au o rezistivitate echivalentă prea mare. Autorii propun introducerea unui tip hibrid de electrod pentru condensatoare cu film metalizat. Am arătat influența electrozilor condensatorului asupra performanței acestuia în condițiile tipice electronicii de putere și am studiat experimental efectul grosimii electrodului asupra rezistenței la defalcare. Rezistența la rupere a filmelor polimerice cu grosimi diferite de metalizare a fost determinată utilizând metodologia comună de testare dielectrică. Am descoperit că rezistența la rupere urmează distribuția Weibull și depinde ușor de grosimea metalului pulverizat în vid, spre deosebire de rezultatele studiilor anterioare. Efectele ruperii electrozilor cauzate de descărcările electrice care apar în timpul autovindecării condensatoarelor cu peliculă metalizată sunt demonstrate experimental. Sa stabilit influența proeminentă a exploziei electrice și a distrugerii micro-arcului electrodului metalizat asupra rezistenței la rupere a filmului polimeric. Sunt prezentate rezultatele calculelor numerice și analitice ale rezistivității electrodului echivalent pentru diverse configurații. Calculele comparative ale rezistenței suprafeței și ariei active a electrozilor segmentați și hibrizi au arătat avantajul acestora din urmă. Am stabilit experimental că la durate de proces comparabile energia depusă pentru ruperea electrozilor hibrizi a fost mai mică decât pentru cei segmentați.

Целью исследования является выявление влияния конфигурации электродов металлопленочных конденсаторов на их характеристики и работоспособность в условиях, характерных для силовой электроники. Обобщены литературные данные об используемых в настоящее время конфигурациях электродов, проведен критический анализ их преимуществ и недостатков. Показано, что используемые в настоящее время конфигурации электродов металлизированных пленочных конденсаторов, обеспечивающие удовлетворительное самовосстановление конденсатора, имеют слишком высокое эквивалентное сопротивление. Предложена конфигурация электрода для металлопленочных конденсаторов, сочетающая в себе преимущества сплошного и сегментированного электродов, называемая гибридным электродом, а также получены экспериментальные образцы гибридных электродов. Продемонстрированы различные аспекты влияния электродов конденсатора на его работоспособность, экспериментально изучено влияние толщины электрода на электрическую прочность. Электрическая прочность полимерных пленок с различной толщиной металлизации была определена с использованием стандартных методик испытаний диэлектриков. Обнаружено, что электрическая прочность подчиняется распределению Вейбулла и незначительно снижается от толщины вакуумно-напыленного металла, в отличие от результатов исследований, представленных в литературных источниках. Экспериментально исследовано разрушение электродов, вызванное электрическими разрядами, возникающими при самовосстановлении металлопленочных конденсаторов. Установлено, что электрический взрыв и микродуговое разрушение металлизированного электрода существенно влияет на электрическую прочность полимерной пленки. Представлены результаты численного и аналитического расчетов эквивалентного поверхностного сопротивления для различных конфигураций электродов. Сравнительный анализ поверхностного сопротивления и активной площади сегментированных и гибридных электродов показал преимущество последних. Экспериментально установлено, что при сравнимой длительности процесса самовосстановления затрачиваемая на разрушение гибридных электродов энергия была меньше, нежели у сегментированных. Тем самым продемонстрирована способность гибридных электродов обеспечивать удовлетворительное самовосстановление металлопленочного конденсатора при меньшем эквивалентном сопротивлении электрода, чем у профильной и сегментированной металлизации.