Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 3

Основные результатыработы получены автором лично.Апробация работыРезультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:XLI, XLII, XLIII, XLIV Научно-практических конференциях «Неделянауки СПбПУ» с международным участием (Санкт-Петербург, 2012 – 2015 гг.);1оймеждународнойконференцииподиэлектрикам1stIEEEInternational Conference on Dielectrics ICD 2016 (Montpellier, 2016 г.);2ой международной конференции по диэлектрикам 2nd IEEEInternational Conference on Dielectrics ICD 2018 (Budapest, 2018 г.).12Структура и объем диссертационной работыРабота состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из166 наименований. Диссертация изложена на 133 страницах, содержит 77 рисункови 11 таблиц.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 9 визданиях, рекомендованных ВАК, из них 7 – индексируемые в базах Scopus и Webof Science:1.Плотников, А.

П. Экспериментальное исследование и анализпроцессов заряда–разряда нелинейных керамических конденсаторов / А. П.Плотников, О. А. Емельянов // Научно-технические ведомости СПбПУ.Естественные и инженерные науки. – 2016. – №. 2 (243). – С. 80-87.(рекомендовано ВАК)2.Emelyanov, O. Ferroelectric capacitors in pulsed modes: Experimentalstudy and analytical calculations / O. Emelyanov, A.

Plotnikov // IEEE 1stInternational Conference on Dielectrics. – 2016. – Vol. 2. – P. 893-896.(рекомендовано ВАК, индексируется в Scopus и Web of Science)3.Emel’yanov, O. A. Determining the Dependence of the Capacitance ofFerro-Ceramic Capacitors on Voltage by the Pulse Discharge Method / O. A.Emel’yanov, A. P. Plotnikov // Measurement Techniques.

– 2017. – Vol. 60. – I. 9. –P. 922-927. (рекомендовано ВАК, индексируется в Scopus и Web of Science)4.Belko, V. Current pulse polarity effect on metalized film capacitorsfailure / V. Belko, D. Glivenko, O. Emelyanov, I. Ivanov, A. Plotnikov // IEEETransactions on Plasma Science. – 2017. – Vol. 45, No. 6. – P. 1020-1025.(рекомендовано ВАК, индексируется в Scopus и Web of Science)5.Belko, V. Influence of current overload mode on metal-film capacitorparameters / V. Belko, O. Emelyanov, I. Ivanov, A. Plotnikov // IEEE 58thInternational Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga13Technical University (RTUCON). – 2017. P.

1-5. (рекомендовано ВАК,индексируется в Scopus и Web of Science)6.Plotnikov, A. Performance of BaTiO3-based multilayer ceramiccapacitors under high AC loads / A. Plotnikov, O. Emelyanov, V. Belko // IEEE 2ndInternational Conference on Dielectrics. – 2018. P. 1-4. (рекомендовано ВАК,индексируется в Scopus и Web of Science)7.Плотников,А.П.Исследованиеимпульснойэлектрическойпрочности современных чип-конденсаторов: I. Основные экспериментальныерезультаты / А.

П. Плотников, О. А. Емельянов, В. О. Белько, Р. А. Курьяков// Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки.– 2018. № 1. – С. 50–59. (рекомендовано ВАК)8.Belko, V. Performance of Metal-Film Capacitors in Current OverloadMode / V. Belko, O. Emelyanov, I. Ivanov, A. Plotnikov, D. Glivenko // IEEE 2ndInternational Conference on Dielectrics.

– 2018. P. 1-4. (рекомендовано ВАК,индексируется в Scopus и Web of Science)9.Feklistov, E. G. Study of frequency-and temperature-dependent electricconductivity of polypropylene-carbon black nanocomposites / E. G. Feklistov, A. P.Plotnikov, E. S. Tsobkallo // IEEE Conference of Russian Young Researchers inElectrical and Electronic Engineering. – 2017. – P. 1148-1151. (рекомендовано ВАК,индексируется в Scopus и Web of Science)10.Плотников,А.П.Изучениединамическихиэнергетическиххарактеристик дугового разряда в субмиллиметровых промежутках / А. П.Плотников, В. О.

Белько // Сборник XLI Неделя науки СПбГПУ: Ч. II. – СПб.: Издво Политехн. Ун-та, 2012. С. 68 – 69.11.Плотников, А. П. Экспериментальное изучение вольт-ампернойхарактеристики дугового разряда в субмиллиметровых промежутках / А. П.Плотников, В. О. Белько // Сборник XLII Неделя науки СПбГПУ: Ч. 1. – СПб.: Издво Политехн. Ун-та, 2014. С. 26 – 28.12.Плотников, А. П. Изучение процесса инициации микродуговыхразрядов при самовосстановлении в металлопленочных конденсаторах / А. П.14Плотников // Сборник XLIII Неделя науки СПбПУ: ИЭиТС СПбПУ. Ч.1.

– СПб.:Изд-во Политехн. Ун-та, 2015. – 272 с.13.Плотников, А. П. Изучение характеристик современных керамическихконденсаторов с нелинейным диэлектриком / А. П. Плотников, О. А. Емельянов //Сборник XLIV Неделя науки СПбПУ: материалы научного форума смеждународным участием. Институт энергетики и транспортных систем. Часть 2.– СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2015. – 250 с.14.Плотников, А. П.

Изучение энергоэффективности современныхкерамических конденсаторов с нелинейным диэлектриком / А. П. Плотников, О. А.Емельянов // Сборник XLIV Неделя науки СПбПУ: материалы научного форума смеждународным участием. Лучшие доклады. – СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та,2016. – 408 с.15.Феклистов, Е. Г. Экспериментальное исследование механизмаэлектропроводности композиционных материалов на основе полипропиленовойматрицы и углеродных наполнителей / Е.

Г. Феклистов, Е. С. Цобкалло, А. П.Плотников // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции смеждународным участием. Институт энергетики и транспортных систем. Ч. 2. –СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2016. – 216 с15ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1.1.Основные сведения о многослойных керамических конденсаторахМногослойные керамические конденсаторы (англ. MLCC – multilayer ceramiccapacitors) являются одним из наиболее массово выпускаемых пассивныхэлектронных компонентов. Из общего количества выпускаемых сегодня в миреконденсаторов около 90% являются керамическими. Мировой объем производстваMLCC достигает порядка триллиона (1012) штук ежегодно [1-3]. В современнойэлектронной аппаратуре MLCC находят широкое и разнообразное применение вцепях блокировки, развязки, фильтрации и пр.

Столь широкое распространениеMLCC обусловлено рядом их важных преимуществ [4-7]:возможность реализации широкого диапазона емкостей от 0.1 пФ до1)100 мкФ;2)разнообразие электрических характеристик: широкий частотныйдиапазон, возможность задать определенный температурный коэффициентемкости (ТКЕ);3)простота конструкции, не требующей специального корпуса, какследствие, низкая трудоемкость, материалоемкость и стоимость, т.е.

высокаятехнологичность конструкции;4)высокаянадежностьиработоспособностьвразнообразныхгибриднымиинтегральнымиэксплуатационных условиях;5)конструктивнаясовместимостьссхемами, плоскими модулями и другими узлами радиоэлектронной аппаратуры.На рисунке 1.1. показаны диапазоны рабочих напряжений и емкостейконденсаторов,применяемыхвсовременнойэлектроннойаппаратуре:алюминиевых и танталовых электролитических, пленочных полимерных имногослойных керамических. Видно, что MLCC выгодно отличаются от другихтиповконденсаторов,уступая,однако,пленочнымконденсаторампо16максимальному рабочему напряжению и электролитическим конденсаторам помаксимальной емкости.Рисунок 1.1 – Сравнение диапазонов емкостей и рабочих напряженийконденсаторов различных типов [8-10]Для производства MLCC используется большое количество различныхкерамических материалов с разнообразными электрическими свойствами.Относительная диэлектрическая проницаемость ε' применяемых материалов лежитв широких пределах от 5 до 100000 [11,12], а температурный коэффициентдиэлектрической проницаемости ТКε варьирует от нескольких миллионных долейдо процента на один градус.

Современные коммерчески доступные керамическиеконденсаторные материалы разделяются на три типа по областям применения.IТип–диэлектрикисотносительнонизкойдиэлектрическойпроницаемостью ε' = 5 – 150 и небольшим тангенсом диэлектрических потерь tgδ =(1 – 5)∙10-4 [13]. Обычно обладают линейной зависимостью ε' от температуры,характеризующейся постоянным температурным коэффициентом. Конденсаторына основе диэлектриков этого типа классифицируются по температурномукоэффициенту емкости. ТКЕ конденсаторов определяется следующим образом [14]17ТКЕ 1C20 o CC,T(1.1)где С20℃ – емкость конденсатора при комнатной температуре, ΔC – разностьемкостей при комнатной и повышенной (или пониженной температуре), ΔT –разность температур.В отечественной практике принята кодировка ТКЕ с помощью букв «М» и«П», соответствующих отрицательному и положительному ТКЕ, и цифры,обозначающей номинальный ТКЕ в миллионных долях обратного градуса.

Так,конденсаторы с ТКЕ = –750∙10-6 K-1 имеют кодировку М750 [15]. Конденсаторы сноминальным значением ТКЕ = 0 кодируются символом МП0. В таблице 1.1приведен ряд керамических материалов для конденсаторов I типа и их свойства. Неследует путать ТКЕ и ТКε, так как последний является характеристикой материала,а не конденсатора в целом.Таблица 1.1 – Керамические материалы конденсаторов I типа и их свойства [4]Группа ТКεε' при 20℃ и f = 1 МГЦМ1500М7501501008040 – 5017 – 20803515М75 – МП0М47 – МП0П33Интервал рабочихтемператур, ℃–60 ÷ +155–60 ÷ +315–60 ÷ +85–60 ÷ +315–60 ÷ +155–60 ÷ +125–60 ÷ +315–60 ÷ +155Основная кристаллическаяфазаCaTiO3CaTiO3 – LaAlO3TiO2CaTiO3 – LaAlO3CaSnO3 – CaZnO3 – CaTiO3Ba(NdBi)2Ti4O12CaTiO3 – LaAlO3CaSnO3 – CaZnO3 – CaTiO3В зарубежной практике принята другая система обозначения, определеннаястандартом EIA (Альянс отраслей электронной промышленности, англ.

ElectronicIndustries Alliance) № 198 [16]. Первый буквенный символ в этой системеобозначает величину ТКε в миллионных долях на обратный градус (ppm/℃),второй в виде цифры обозначает множитель, а третий буквенный символ –допустимое отклонение ТКε. В таблице 1.2 приведена система EIA с расшифровкойобозначений.18Таблица 1.2 – Система обозначений EIA для керамических материалов I типа [3]Первый символВторой символОбозначениеТКε, ppm/℃ОбозначениеМножительCBLAMPRSTVU00.30.80.911.52.23.34.75.67.501235678–1–10–100–1000+1+10+100+1000Третий символДопуск,Обозначениеppm/℃G±30H±60J±120K±250L±500M±1000N±2500Конденсаторы на основе керамических диэлектриков I типа применяются втех приложениях, в которых критически важны стабильность ёмкости и малыепотери, таких как резонансные контуры, времязадающие цепи и т.п.II Тип – сегнетоэлектрики с высокими значениями ε' > 1000 и характернымизначениями tgδ = (1 – 3)∙10-2.

Они отличаются нелинейной температурной иполевой зависимостями диэлектрической проницаемости. В случае керамическихматериалов II типа ТКε неприменим в силу нелинейной зависимости емкости оттемпературы. В отечественной литературе используется понятие температурнойстабильности емкости (ТСЕ), определяемой следующим образом [1]ТСЕ  С 100%,С20 о С(1.2)где ΔC – разность емкостей при комнатной и повышенной (или пониженной)температуре, С20℃ – емкость конденсатора при комнатной температуре. Такимобразом, ТСЕ является относительным изменением ёмкости в рабочем интервалетемператур.Сложилось несколько систем кодировки керамических материалов II типа иконденсаторов на их основе. В отечественной практике используется системаобозначений в виде буквы «Н» и цифры, обозначающей допустимый процентотносительного изменения емкости в интервале рабочих температур [17]. Интервал19рабочих температур при этом задается отдельно, поэтому, например, конденсаторгруппы ТСЕ Н30 в интервале рабочих температур (–60 ÷ +85℃) в расширенноминтервале температур (–60 ÷ +125℃) может уже не удовлетворять этой группе ТСЕи относиться к группе Н50.За рубежом применяются две системы кодировки ТСЕ керамическихматериалов II типа.

Первая весьма распространенная система, определеннаястандартом EIA №198, основана на трехзначном символе, в котором закодированинтервал рабочих температур и допустимая ТСЕ [18]. В отличие от отечественнойсистемы, ТСЕ в этой системе привязана к интервалу рабочих температур. Первыйбуквенный знак определяет нижнюю границу интервала рабочих температур,второй, в виде цифры – верхнюю границу интервала рабочих температур, третийбуквенный знак – допустимое изменение емкости в интервале рабочих температур[19]. В таблице 1.3 приведена система EIA для керамических материалов II типа срасшифровкой обозначений.Таблица 1.3 – Система обозначений EIA для керамических материалов II типа [3]Первый символВторой символТретий символНижнийВерхнийДопустимоеОбозначение температурный Обозначение температурный Обозначение изменениепредел, ℃предел, ℃емкости, %Z+104+65A±1Y–305+85B±1.5X–556+105C±2.27+125D±3.38+150E±4.7F±7.5P±10R±15S±22T+22/–33U+22/–56V+22/–82Более совершенной системой кодировки, учитывающей зависимость емкостиотнапряжения,являетсяклассификация,введеннаяМеждународнойэлектротехнической комиссией (МЭК) в стандарте IEC/EN 60384-8/21.