Автореферат (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках)

На правах рукописиПлотников Андрей ПавловичИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СЕГНЕТОКЕРАМИЧЕСКИХКОНДЕНСАТОРОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХСпециальность 05.09.02 – Электротехнические материалы и изделияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСанкт-Петербург – 2019Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего образования«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»Научный руководитель:доктор технических наук, доцент,Емельянов Олег Анатольевич,Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшегообразования «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого»Официальные оппоненты:Скоробогатов Петр Константинович,доктор технических наук, профессор,Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшегообразования«Национальныйисследовательскийядерный университет «МИФИ», г.

Москва, профессорНенашева Елизавета Аркадьевна,кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник,Общество с ограниченной ответственностью«Керамика», г. Санкт-Петербург, генеральныйдиректорВедущая организация:Акционерное общество Научно-исследовательскийинститут «ГИРИКОНД», г. Санкт-ПетербургЗащита состоится «28» мая 2019 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного советаД 212.229.16 при ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Главныйучебный корпус, ауд. 284.С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО «СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого» и на сайтеhttps://www.spbstu.ruАвтореферат разослан «___» ______ 2019 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.229.16,к.т.н.,Резник Александр СергеевичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность и степень разработанности темы исследованияОдной из важных тенденций развития радиоэлектронной и электрофизическойаппаратуры является миниатюризация.

Уменьшение массогабаритных показателей можетбыть достигнуто за счет использования новых типов интегральных схем, повышенияплотности монтажа, использования новых конструкций пассивных элементов в составеаппаратуры. Сегнетокерамические многослойные конденсаторы широко применяются всовременной аппаратуре в силу ряда преимуществ: высокая удельная емкость на единицуповерхности и объема, широкий диапазон номинальных емкостей, напряжений и рабочихтемператур.Впоследниедесятилетиянаметиласьтенденциявытеснениясегнетокерамическими конденсаторами электролитических и, в ряде случаев, пленочныхконденсаторов из электронной аппаратуры.

Область применения сегнетокерамическихконденсаторов также расширяется в сторону высоковольтной импульснойпреобразовательной техники – силовых инверторов и выпрямителей, отличающихсявысокими токовыми нагрузками. В силу различных причин сегнетокерамическиеконденсаторы в составе указанной аппаратуры могут испытывать кратковременные идлительные перегрузки, что негативно сказывается на сроке службы конденсатора иаппаратуры в целом. Между тем доля конденсаторов в современной аппаратуре достигает25 – 30 % от всех элементов схемы.

Срок службы сегнетокерамических конденсаторов вобычных режимах эксплуатации достигает 10 – 20 тыс. ч. Технические условия (ТУ) непозволяют оценить работоспособность конденсаторов в условиях повышенныхэлектрических и тепловых нагрузок. Вместе с тем имеются такие виды электронной иэлектротехнической аппаратуры, которые эксплуатируются в течение относительнокоротких сроков службы. В условиях сокращенных сроков службы использованиесегнетокерамических конденсаторов в составе такой аппаратуры благодаря их высокимудельным характеристикам могло бы существенно повысить массогабаритные и техникоэкономические характеристики оборудования за счет увеличения нагрузки на конденсаторотносительнорегламентируемойТУ.Прогнозированиеработоспособностисегнетокерамических конденсаторов при повышенных нагрузках затруднено практическимотсутствием литературных сведений по данному вопросу и сильными нелинейнымизависимостями электрофизических параметров конденсаторов от температуры инапряжения.

В этой связи представляется актуальным проведение соответствующихэкспериментальных и теоретических исследований.На основании изложенных рассуждений была определена цель работы:Обосновать возможность применения сегнетокерамических конденсаторов приповышенных электрических нагрузках в условиях коротких сроков службы.Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:1)Разработать необходимые методики и установки для изученияработоспособности сегнетокерамических конденсаторов в условиях повышенных нагрузок;12)Экспериментальноисследоватьнелинейныеэлектрофизическиехарактеристики сегнетокерамических конденсаторов в широком диапазоне температур,частот и напряженностей электрического поля;3)Экспериментально исследовать влияние параметров нагрузки на срок службыразличных типов сегнетокерамических конденсаторов;4)Провести соответствующее математическое моделирование режимов работыисследуемых конденсаторов.Научная новизна:1)Получены температурно-частотные и температурно-полевые характеристикисегнетокерамических конденсаторов в широком диапазоне воздействующих факторов:частот 0.1 Гц – 5 МГц, напряженностей электрического поля 0.1 – 20 кВ/мм, температур 20– 300 ℃.

Обнаружена спадающая полевая зависимость фактора потерь, пропорциональнаяE-2 при температурах до 240 ℃, и ее последующий степенной рост;2)Полученытемпературныезависимостиудельнойпроводимостисегнетокерамических конденсаторов в диапазоне температур 20 – 300 ℃, обнаружено двахарактерных участка проводимости, соответствующих разным энергиям активации. Анализполученных зависимостей выявил существование механизма резкого роста потерь ввысокотемпературной области, который обусловлен термоактивационным характеромудельной проводимости сегнетоэлектрика;3)Установлены закономерности зависимостей среднего срока службы дляисследуемых типов конденсаторов от напряжения в диапазоне 20 – 700 с для коэффициентаперегрузки kп = 2 – 11 относительно Uном и частот 100 Гц, 400 Гц, 1 кГц. Обнаружено, чтосрок службы исследуемых конденсаторов описывается степенным законом вида τсл ~ A·U-n,с характерными значениями n = 1 – 2, при этом kп обратно пропорционален частотеприложенного напряжения;4)Предложена и теоретически обоснована математическая модель нелинейнойзависимости емкости сегнетокерамического конденсатора от напряжения;5)Получены точные аналитические решения и энергетические соотношенияхарактеристик процессов заряда-разряда нелинейной емкости.

Результаты расчетаподтверждаются экспериментальными данными.Теоретическая и практическая значимость:1)Разработаны методики определения температурно-частотных и температурнополевых характеристик сегнетокерамических конденсаторов в диапазоне частот от 0.1 Гц до5 МГц, температур от 20 до 300 ℃ и напряжений до 120 В;2)Разработаны методики изучения удельной проводимости сегнетоэлектрика икратковременной электрической прочности конденсаторов на постоянном напряжении и ихтемпературных зависимостей в диапазоне температур от 20 до 300 ℃;3)Создан экспериментальный стенд для исследования работоспособностиконденсаторов при повышенных электрических нагрузках вплоть до 12·Uном, в том числе2разработана методика измерения температуры поверхности конденсатора с помощьюметода радиационной пирометрии;4)Установлено, что функции распределения электрической прочности для всехконденсаторов подчиняются нормальному закону, при этом средняя электрическаяпрочность конденсаторов X7R и Y5V линейно спадает с температурой, уменьшаясь на 67 и64 % относительно комнатной температуры соответственно, а конденсаторов Z5U и Н50 –остается практически постоянной вплоть до 240 ℃, уменьшаясь на 24 и 22 % относительнокомнатной температуры соответственно;5)Получены зависимости эффективных емкости и тангенса угла диэлектрическихпотерь исследуемых конденсаторов от напряженности электрического поля и от величиныперегрева поверхности конденсатора.

Обнаружено, что конденсаторы типа X7R обладаютмаксимальным kп относительно рабочей напряженности электрического поля;6)Предложена и обоснована методика определения нелинейной зависимостиемкости сегнетокерамического конденсатора от напряжения с помощью импульсногоразряда испытуемого конденсатора.Методология и методы исследованияДля исследования работоспособности сегнетокерамических конденсаторов приповышенных электрических нагрузках был создан специальный испытательный стенд,отличающийся возможностью получать напряжения различной формы с действующимзначением до 600 В и частотой от 45 Гц до 1 кГц в условиях непрерывного мониторингатемпературы конденсаторов. Для проведения экспериментальных исследований былиразработаны методики изучения температурно-частотных и температурно-полевыххарактеристик конденсаторов, методики изучения температурной зависимости удельнойпроводимости сегнетоэлектрика и кратковременной электрической прочностиконденсаторов, а также методика измерения температуры поверхности конденсатора спомощью радиационной пирометрии.Исследования проводились на серийно выпускаемых конденсаторах какотечественного, так и импортного производства различных групп температурнойстабильности емкости (ТСЕ) емкостью 0.47 – 1 мкФ и номинальным напряжением 50 В.Положения, выносимые на защиту:1)Полученныйкомплексэкспериментальныхданныхнелинейныхэлектрофизических характеристик сегнетокерамических конденсаторов позволяетпрогнозировать их работоспособность в диапазоне частот 0.1 Гц – 5 МГц, температур 20 –300 ℃ и напряжений до 120 В.2)Полученные температурные зависимости электрической прочностиисследуемых конденсаторов типа X7R и Y5V спадают линейно с температурой, в то времякак для конденсаторов типа Z5U и Н50 – меняются незначительно.3)Выявленная зависимость срока службы сегнетокерамических конденсаторовпри повышенных нагрузках подчиняется степенному закону τсл ~ A·U-n, где n = 1 – 2.34)Механизм отказа сегнетокерамических конденсаторов в исследованныхрежимах – тепловой пробой, обусловленный термоактивационным характером удельнойпроводимости и ее полевой зависимостью в области высоких температур.5)Предложенная математическая модель нелинейной зависимости емкостисегнетокерамического конденсатора от напряжения и полученные на ее основе точныеаналитические решения адекватно описывают экспериментальные результаты для режимовзаряд-разряд.6)Результаты расчета по разработанной методике определения нелинейнойзависимости емкости сегнетокерамического конденсатора от напряжения с помощьюимпульсного разряда испытуемого конденсатора удовлетворительно согласуются сданными прямых измерений.Реализация результатов работыРезультаты диссертационной работы были использованы в АО «НИИ «ГИРИКОНД»,а также в учебном процессе кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционнаяи кабельная техника» ФГАОУ ВО «СПбПУ» для студентов, обучающихся по направлению13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» (акты использования прилагаются).Достоверность полученных результатов обеспечивается использованиемсовременной измерительной аппаратуры, большим объемом экспериментальных данных иих корректной статистической обработкой, а также использованием современныхпрограммных пакетов MathCAD и MATLAB для выполнения математических расчетов ичисленного моделирования электрофизических процессов.Личный вклад автора определяется участием в постановке задач исследования,разработке и создании экспериментальных установок, а также методик измерения,проведении экспериментальных и теоретических исследований, обработке и анализеполученных данных.