应用于重复频率脉冲放电的高储能密度电容器性能研究

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1、分类号学校代码密级博士学位论文应用于重复频率脉冲放电的髙储能密度电容器性能研究学位申请人：李智威学科专业：电气工程指导教师：林福昌教授李化副教授答辩日期：年月日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonPerformanceofHighEnergyDensityCapacitorsinRepetitivePulseApplicationsPh.D.Candidate:LiZhiweiMajor:Electri

2、calEngineeringSupervisor:Prof.LinFuchangAssociateProf.LiHuaHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei,P.R.China21MAY,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本

3、学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，艮学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文不保密仏请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名日期：丨阵咕月日日期列阵日华中科技大学博士学位论文摘要金属化膜电容器具有储能密度高、可靠性高、寿命长和损耗小等特点，是脉冲功率系统中常用的储能器件。将金属化膜电容器的应用从单次脉冲放电领域拓展到重复频率脉冲放电领域，需研究金属化膜

4、电容器的温升特性和性能变化。本文研究对象是以双向拉伸聚丙烯（薄膜为介质的金属化膜电容器，重点研究金属化膜的击穿特性、自愈特性、大电流下电极断裂机理、电容器传热特性和寿命特性。论文首先介绍了金属化膜电容器的结构，并基于金属电极热功率分布推导出电容器等效串联电阻计算公式；根据金属化膜电容器在重复频率脉冲放电下的工作条件，重点分析了金属化膜的自愈性能、电容器失效机制（击穿和电极断裂）和寿命特性等关键技术问题。其次，论文研究了薄膜电热击穿特性和金属化膜的自愈特性。建立了基于效应和载流子迁移率变化的薄膜电导率模型，并进行了试验验证；结合电热击穿机理计算了薄膜的击穿场强。研究表明，随着温度的升高和场强的

5、增大，膜的电导率显著增大，膜的击穿场强下降。金属化膜自愈试验研究表明，温度的升高对击穿场强的影响较小，但随着温度的升高，自愈模拟实验中出现连续自愈现象概率增大，且自愈能量显著增大。温度升高导致的自愈性能劣化是高温下金属化膜电容器寿命缩短和失效的原因。论文研究了大电流下金属电极断裂现象。建立了金属电极通流试验及观测平台研究金属电极在大电流作用下的断裂机理。试验研究表明金属电极的断裂可分为单次电流作用导致的电爆炸和重复脉冲电流作用导致的裂纹发展两种类型。研究表明在单次脉冲电流作用下金属电极发生电爆炸的临界电流密度为在重复脉冲电流作用下金属电极发生裂纹发展的临界电流密度为。基于金属电极局部电流密度

6、分布和金属焦耳热计算，并结合金属相态转变需要的能量，理论计算得到金属电极断裂的临界电流密度。计算表明，金属电极发生电爆炸的电流密度阈值为，金属电极发生裂纹发展的电流密度阈值为，计算结果本文受到国家自然科学基金（资助华中科技大学博士学位论文与试验结果基本吻合。论文研究了金属化膜电容器的传热特性，从电容器发热功率、热传导和散热三方面论述了电容器的传热过程，重点研究了电容器中体积功率密度分布和热传导过程。研究表明，热量从金属电极产生，并主要通过膜向电容器表面传导。基于热传导方程、体积功率密度分布和边界条件建立了金属化膜电容器的温升仿真模型，电容器温升的仿真结果和实测结果一致。研究表明，电容器内部最

7、高温升与电流的次方或者频率的次方成正比；在宽度一致的情况下，电容器内部最高温升与直径的次方成正比；随着灌封厚度的增加，电容器内部最高温度下降并趋于稳定，但最高温度仍然高于未灌封的电容器；与均匀方阻电容器相比，渐变方阻电容器的体积功率密度分布均匀，介质承受的最高温度降低。最后，论文建立了电容器重复频率脉冲充放电寿命试验平台，并研究重复频率参数对电容器寿命的影响。研究表明：重复频率越高，电容器寿命越长；当重复频率