电容器击穿机理

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1、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--17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

2、板时，平板形电容器的热击穿电压为140λU=φ(c)�(6-31)αγo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=γeα(T−T1)1φ(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λcadc=(6—32)2λ(λc+αdc)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1在直流电压下，有效电导γ=，其中ρv为介质的体积电阻ρv率，单位为欧·厘米。直流下电容器的热击穿

3、场强为Ubφ(c)λρoEb==11.8�(633)ddαρo可按电容器在环境温度时的时间常数计算，即RC13ρo=×10(欧·厘米)0.884ε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)(635)根据两个不同温度(t1和t2)的时间常数(RC)1和(????)2β可确定系数，这时==2.3β。lge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εftanδγ=(6_36)1.8×1012交流下的热击穿电场强度为6φ(c)λEb=15.87×1

4、0�(伏/厘米)dαfεtanδo若tanδ与温度的关系满足下式，lgtanδ=A+α1(t−t1)则计算Eb时，可取α=2.3α1式(6—37)中tanδ为环境温度to时介质的损失角正切。只有当to大于介质因受热tanδ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

5、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∂W∂12F==（CV）(3．128)∂d∂d2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

6、为F1V2=εε0（）(3．129)A2d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1V2dεε0（）=Yln（）(3．130)2dd02d0dd在给定电压V下，d2ln()在()≈0．6时达到极大值．因此当()<0．6时弹性dd0d0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Y1/2Ec=（）(3．131)εε0可以观察到的最高视在电场强度dY1/2Ea=Ec≈0.6（）(3．132)d0εε0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

7、。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ML