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Title:
METAL-PLATING FOR SELF-HEALING FOIL CAPACITORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/043011
Kind Code:
A1
Abstract:
In a metal-plating for a foil capacitor, a dielectric capacitor foil (3) provided with a metallic coating (4) is wound in the running direction (y) of the foil into a capacitor element, and the coating (4) is subdivided into segments. The coating consists of an alloy-plating that is profiled transversely to the running direction and partially segmented.

Inventors:
Vetter, Harald (Wichernweg 5 Heidenheim, D-89520, DE)
Application Number:
PCT/DE1999/000363
Publication Date:
August 26, 1999
Filing Date:
February 10, 1999
Export Citation:
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Assignee:
EPCOS AG (St.- Martin-Strasse 53 München, D-81541, DE)
Vetter, Harald (Wichernweg 5 Heidenheim, D-89520, DE)
International Classes:
H01G4/008; H01G2/16; H01G4/015; H01G4/18; H01G4/32; H01G4/33; (IPC1-7): H01G4/015; H01G4/008
Foreign References:
DE19639877A1
EP0640996A1
FR2605140A1
EP0088137A1
Attorney, Agent or Firm:
Epping, Wilhelm (Epping Hermann & Peter GbR Postfach 12 10 26 München, D-80034, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Metallisierung für selbstheilenden Folienkondensator, bei dem eine mit einem metallischen Belag (4) versehene di elektrische Kondensatorfolie (3) in Laufrichtung (y) der Kon densatorfolie (3) zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt ist, wobei der Belag (4) mit einer Segmentierung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (4) in Querrichtung (x) zur Laufrichtung (y) aus einer profilierten Legierungsmetallisierung besteht, bei der deren Hauptbestandteile in Abhängigkeit von der Querrichtung (x) verändert sind.
2. Metallisierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherungen im Gebiet (2Z) zwischen einem ersten Bereich mit maximalem Flächenwiderstand und einem zweiten Bereich mit mi nimalem Flächenwiderstand vorgesehen sind.
3. Metallisierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentierung eine TSegmentierung oder eine Karo Segmentierung oder eine SechseckSegmentierung ist.
4. Metallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (4) mit einer totalen Querabtrennung (c) versehen ist.
5. Metallisierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentierung im ersten Bereich vorgesehen ist.
6. Metallisierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherungen auch im zweiten Bereich vorgesehen sind.
7. Metallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbestandteile Aluminium und Zink sind.
8. etallisierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsmetallisierung Silber oder Magnesium beigefügt ist.
9. Metallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Materialauftrag zwischen zwei Kondensatorfolien vorgese hen ist.
10. Metallisierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallauftrag durch Beschichten, Aufsprühen oder Aufdamp fen aufgetragen ist.
11. Metallisierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenwiderstand R im ersten Bereich einer Funktion R > 1/z2 folgt, wobei z die Querrichtung (x) ab dem Beginn des ersten Bereiches angibt.
Description:
Beschreibung Metallisierung für selbstheilenden Folienkondensator Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Metallisie- rung für einen selbstheilenden Folienkondensator, bei dem ei- ne mit einem metallischen Belag versehene dielektrische Kon- densatorfolie in Laufrichtung der Folie zu einem Kondensator- wickel aufgewickelt ist, wobei der Belag mit einer Segmentie- rung versehen ist.

Die Einsatzmöglichkeiten von Leistungskondensatoren werden in erster Linie durch die jeweiligen zulässigen Grenzwerte für die Betriebsfeldstärke, die Stoßstrombelastbarkeit und den Wärmewiderstand festgelegt. Leistungskondensatoren können al- so nur in dem Rahmen verwendet werden, in welchem diese Grenzwerte für die Betriebsfeldstärke, die Stoßstrombelast- barkeit bzw. den Wärmewiderstand nicht überschritten werden.

Bei den selbstheilenden Leistungskondensatoren wird der Grenzwert für die Betriebsfeldstärke im wesentlichen durch die Regeneriersicherheit des betrachteten dielektrischen Auf- baues bzw. des Kondensatorwickels bestimmt. Die Regeneriersi- cherheit ihrerseits hängt wiederum unter anderem von der Me- tallisierung, dem Wärmewiderstand und der thermischen Belast- barkeit des Kondensatorwickels ab, der im wesentlichen aus einer mit einem metallischen Belag versehenen dielektrischen Folie gebildet ist.

Bei einem selbstheilenden Folienkondensator entsteht der größte Teil des Verlustes in den metallischen Belägen. Um diese Verluste möglichst klein zu machen, können an sich die Beläge dicker gestaltet werden, was deren Flächenwiderstände vermindert. Einem solchen Vorgehen sind aber aus Gründen der Regeneriersicherheit des Kondensatorwickels enge Grenzen ge- setzt : bekanntlich muß nämlich zumindest ein Belag dünn ge-

halten werden, damit diese Regeneriersicherheit gewährleistet ist.

Die Verwendung von querprofilierten oder keilförmig gestalte- ten Belägen anstelle von homogenen Belägen hat zwar Verbesse- rungen hinsichtlich einer Verminderung der Verluste gebracht.

Es hat sich gezeigt, daß bei derart strukturierten Belägen das Regenerierverhalten in der Mitte der Wickelbreite des Kondensatorwickels am ungünstigsten ist, so daß in diesem Be- reich der minimal zulässige Flächenwiderstand festgelegt wird.

Für Wechselspannungskondensatoren wurde auch schon daran ge- dacht, Beläge einzusetzen, die quer zur Folienlaufrichtung mit unterschiedlichen Legierungsanteilen ausgebildet sind.

Ein solches Vorgehen ist besonders für Folienkondensatoren mit vergleichsweise großer Bauform bzw. Wickelbreite zweckmä- ßig.

Gleichspannungskondensatoren werden gewöhnlich mit struktu- rierten Belägen ausgeführt. Hierfür gibt es grundsätzlich zwei unterschiedliche Ausführungsformen, nämlich das soge- nannte Karo-Segment und das sogenannte T-Segment. Für diese Segmente sind seit Jahrzehnten Bemühungen im Gange, eine op- timale Gestaltung entsprechender Strukturen zu entwickeln (vgl. beispielsweise DE-PS 723 291).

Andere Strukturierungen anstelle einer T-Segmentierung und einer Karo-Segmentierung bestehen beispielsweise in einer Sechseckflächen-Strukturierung usw.

Eine"optimale Struktur"sollte an sich"selbstdimensionie- rende"Eigenschaften aufweisen. Alle derzeit bekannten Struk- turen mit"selbstdimensionierenden"Eigenschaften liefern aber bis heute keine voll befriedigenden Ergebnisse.

Solche befriedigenden Ergebnisse können dagegen bei sonst gleichen Randbedingungen im Hinblick auf die Dimensionierung für die Größe der durch die Segmentierungen gebildeten Teil- kapazitäten und die Größe von Sicherungen im Zusammenhang mit dem maximal zulässigen Energieumsatz des selbstheilenden Durchschlages und für einen minimal zulässigen Strukturab- stand der Segmentierungen, der sich an dem Wechselspannungs- anteil einer betrachteten Anwendung orientiert, erzielt wer- den.

Es hat sich gezeigt, daß bei so festgelegten Daten die Ideal- form einer durch die Segmentierung geschaffenen Teilkapazität in einer Kreisform besteht, in deren Zentrum ein gedachter Durchschlagkanal gelegen ist. Als erste Näherung kann anstel- le der Kreisform ein Quadrat oder-bei gröberer Näherung- ein Rechteck mit einem bestimmten Seitenverhältnis L/B in Be- tracht gezogen werden.

Nun werden Leistungskondensatoren in vergleichsweise großen Dimensionen aufgebaut, was wiederum in der Regel auch große Wickelbreiten des Kondensatorwickels voraussetzt. Diese große Wickelbreite läßt aber für die an sich vorteilhafte T-Segmen- tierung in vielen Fällen nur ein relativ ungünstiges Seiten- verhältnis L/B zu.

In letzter Zeit werden selbstheilende Folienkondensatoren oft zusammen mit IGBT-Halbleiterelementen eingesetzt (IGBT = Bi- polartransistor mit isoliertem Gate). Diese IGBT-Halbleiter- elemente stellen hohe Anforderungen an einen Folienkondensa- tor hinsichtlich Impuls-und Strombelastbarkeit. Dies bedeu- tet, daß ein solcher Folienkondensator, der zusammen mit ei- nem IGBT-Halbleiterelement eingesetzt wird, einen besonders hohen Energieumsatz je Folienlauflänge aushalten muß, der deutlich über dem entsprechenden Energieumsatz für Folienkon- densatoren liegt, die zusammen mit GTO-Halbleiterelementen verwendet sind (GTO = Gate-Abschaltverhalten).

Schließlich haben Versuche gezeigt, daß für die Einsatzmög- lichkeiten von Leistungskondensatoren nicht nur die Stoß- strombelastbarkeit im Zusammenhang mit Betriebsfeldstärke und Wärmewiderstand, sondern auch die Ladespannung als weitere wesentliche Einflußgröße berücksichtigt werden muß. Eine in diesem Hinblick vorgenommene kräftiger ausgeführte Randver- stärkung führt aber nicht zu dem gewünschten Erfolg, wobei zu berücksichtigen ist, daß ein solches Vorgehen mit erhöhten Randverstärkungen rasch an wirtschaftliche Grenzen stößt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metal- lisierung für einen Folienkondensator der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein Belagprofil aufweist, das sich im Vergleich zu bestehenden Metallisierungen mit einem verbes- serten Regenerierverhalten auszeichnet, das weiterhin eine erhöhte Stoßstrombelastbarkeit erlaubt und das zudem minimale Belagverluste liefert, so daß insgesamt eine höhere Ausnut- zung des dielektrischen Materials bei verringertem Aufwand erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Metallisierung nach dem Oberbe- griff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Belag in Querrichtung zur Laufrichtung aus einer pro- filierten Legierungsmetallisierung besteht, bei der deren Hauptbestandteile in Abhängigkeit von der Querrichtung verän- dert sind.

Bei der erfindungsgemäßen Metallisierung wird also eine quer zur Laufrichtung der Kondensatorfolie profilierte Legierungs- metallisierung eingesetzt, die beispielsweise eine in Abhän- gigkeit von der senkrecht zur Laufrichtung gelegenen Quer- richtung unterschiedlich zusammengesetzte Legierung aufweist, wobei in einem Bereich mit maximalem Flächenwiderstand eine strukturierte Metallisierung mit Segmentierung des Belages angeordnet ist, während in dem danebenliegenden Bereich mit minimalen Flächenwiderstand keine Strukturierung vorgesehen ist. Für die Strukturierung der Metallisierung kann bei-

spielsweise eine T-Segmentierung vorgesehen werden, bei der besonders gute Seitenverhältnisse L/B zu erreichen sind. Si- cherungen werden im Bereich einer Sicherheitsüberdeckung zwi- schen den beiden Bereichen, also dem Bereich für die struktu- rierte Metallisierung und dem Bereich mit der profilierten Legierungsmetallisierung, vorgesehen.

Mit der erfindungsgemäßen Metallisierung, die zusätzlich zu der üblichen T-Segmentierung noch eine querprofilierte Legie- rungsmetallisierung verwendet, kann eine bis um 40 % im Ver- gleich zu bestehenden Metallisierungsprofilen verringerte Verlustleistung erreicht werden. In bevorzugter Weise werden die Hauptlegierungsbestandteile, nämlich Aluminium und Zink, längs der Querrichtung verändert. Diesen Hauptlegierungsbe- standteilen kann aber auch beispielsweise noch Silber beige- fügt werden. (Silber kann dabei auch als Sperrschicht wir- ken.) Das optimale Schichtdickenverhältnis Stufe/Fläche wird bei der erfindungsgemäßen Metallisierung primär durch die thermi- sche Belastung im Bereich der Sicherheitsüberdeckung zwischen den beiden oben genannten Bereichen bestimmt. Wird das Ziel einer minimalen Wärmeerzeugung im Kondensatorwickel ange- strebt, so ist jedoch zu berücksichtigen, daß im Bereich mit dem minimalen Flächenwiderstand, der Kondensatorwickel nicht selbstheilend ist. Es liegt also insoweit ein"semiselbsthei- lender"Wickelaufbau vor.

Wie bereits oben erläutert wurde, wird bei der erfindungsge- mäßen Metallisierung im Bereich des maximalen Flächenwider- standes eine strukturierte Metallisierung für die Segmentie- rung des Belages angewandt. Eine bevorzugte Segmentierung ist dabei eine T-Segmentierung. Diese liefert hier nämlich den besonderen Vorteil, daß bei voller Ausnutzung der Selbsthei- lung eine um einen Faktor 2 günstigere Situation hinsichtlich der Seitenverhältnisse L/B geschaffen wird, als dies beim Stand der Technik mit T-Segmentierung möglich ist, der die

querprofilierte Legierungsmetallisierung eben nicht vorsieht.

In diesem Fall müssen beide Folien strukturiert sein.

Bei einer T-Segmentierung sind jedenfalls vorzugsweise im Be- reich der Sicherheitsüberdeckung Sicherungen vorgesehen. Es ist aber auch möglich, die Sicherungen im Bereich der Kon- taktzone anzuordnen und auf den oben angegebenen Vorteil mit dem Faktor 2 zu verzichten.

Es hat sich gezeigt, daß die Stoßstrombelastbarkeit einer Me- tallisierung mit einer querprofilierten Legierungsmetallisie- rung deutlich größer ist als bei Metallisierungen nach dem Stand der Technik.

Zu beachten ist auch noch, daß die Sicherungen bei einer Seg- mentierung nur einen anteiligen Stoßstrom zu verarbeiten brauchen.

Anstelle oder zusätzlich zu einer Strukturierung kann gegebe- nenfalls auch eine vollkommene Querabtrennung der Metallisie- rung im Abstand von beispielsweise 10 bis 300 mm auf der Fo- lie vorgenommen werden.

Bei dem Kondensatorwickel kann gegebenenfalls zwischen den einzelnen Folien mit dem jeweiligen Belag noch ein Material- auftrag vorgenommen werden, der in genau dosierter Menge durch Auftragen, Aufsprühen oder Aufdampfen angebracht wird, um so den Wickeldruck im Kondensatorwickel zu optimieren und die Regeneriersicherheit zusätzlich vorteilhaft zu beeinflus- sen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kondensatorfolie in deren Laufrichtung y und

Fig. 2 einen Schnitt AB durch die Kondensatorfolie von Fig. 1 in einer Querrichtung x senkrecht zur Laufrichtung y.

In der Fig. 1 ist in einem oberen Teil 1 die sogenannte Karo- Segmentierung gezeigt, während in einem unteren Teil 2 hier- von die bevorzugte T-Segmentierung veranschaulicht ist. Au- ßerdem ist im Teil 1 eine Querabtrennung c gezeigt.

Auf einer dielektrischen Folie 3 aus beispielsweise PET (Polyester), PP (Polypropylen) oder weiteren Polymeren ist hierzu ein segmentierter Belag 4 aus einer Legierung aus Alu- minium und Zink aufgetragen, wobei diese Legierung noch An- teile von Silber oder Magnesium oder ähnlichen Metallen ent- halten kann. Das Silber oder Magnesium kann dabei auch als Sperrschicht wirken. Der Belag 4 bildet so eine Metallisie- rungsprofilierung und hat in der Querrichtung x (bis x = Xmax (vgl. Fig. 2)) eine sich ändernde Zusammensetzung seiner Hauptbestandteile, also Aluminium und Zink.

Von Bedeutung ist, daß in einem in Laufrichtung y linken Teil der Folie 3 (ab z = 0 ; vgl. Fig. 2) der Belag 4 wesentlich dünner gestaltet ist als in einem rechten Teil dieser Folie 3. Dadurch ist der Flächenwiderstand in dem linken Teil des <BR> <BR> <BR> <BR> Belages 4 zwischen z = 0 und z = Zmax erheblich größer als in dem rechten Teil.

Die Folie 3 selbst hat an ihrem linken Rand einen Wellen- schnitt WS und an ihrem rechten Rand einen Glattschnitt GS, wie dies bereits vorgeschlagen worden ist. Weiterhin besteht am linken Rand ein Freirand FR, in welchem kein Belag 4 auf die Folie 3 aufgetragen ist.

Im linken Teil der Folie sind, wie bereits erläutert wurde, in dem Teil 1 beispielsweise die Karo-Segmentierung des Bela- ges 4 vorgesehen, wobei diese Segmentierung mit einer Breite e einen Radius R für eine durch Stege der Metallisierung ge-

bildete Sicherung hat. Es sind aber auch andere Strukturen, wie beispielsweise Sechsecke, möglich.

Weiterhin zeigt die linke Hälfte des Belages 4 im Teil 2 eine T-Segmentierung, an deren Ende, etwa in der Mitte des Belages 4, Sicherungen mit einem Anschlußradius R1 und einer Steg- breite S angebracht sind.

Die T-Segmentierung besteht im wesentlichen aus Schlitzen mit der Lange L und der Breite 0, in dem Belag 4. Die Lange L und die Breite B der Teilkapazitäten, die durch die Schlitze ab- getrennt sind, sind im wesentlichen gleich zueinander.

Die Sicherungen selbst liegen in einem Bereich Z neben der Mittellinie M des Kondensatorwickels mit der Wickelbreite WB.

Gegenüber dieser Wickelbreite WB zeigt die Folie 3 einen Ver- satz V.

Der Anschlußradius der einzelnen Teilkapazitäten ist eben- falls mit R1 veranschaulicht. Eine Uberdeckung U ist gegeben durch die Wickelbreite, vermindert um die doppelte Summe aus Versatz V und Freirand FR. <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <P>Im linken Teil des Belages 4 (zwischen z = 0 und z = Zmax) mit großem Flächenwiderstand liegt in der Legierung ein kleiner Al-Anteil von etwa unter 5 % vor, während im rechten Teil des Belages 4 mit kleinem Flächenwiderstand ein großer Aluminium- Anteil in der Legierung angestrebt wird, der etwa über 5 % liegt. Dabei kann im linken Teil des Belages 4, also in des- sen hochohmigem Bereich, der Verlauf des Flächenwiderstandes R einer Funktion R _ 1/z2 folgen.

Der Belag 4 kann gegebenenfalls noch mit einer Randverstär- kung RV versehen werden, die aber auch entfallen kann.

Die erfindungsgemäße Metallisierung aus dem Belag 4 weist al- so eine quer zur Laufrichtung y der Kondensatorfolie 3 profi-

lierte Legierungsmetallisierung auf, die in Abhängigkeit zur Querrichtung x eine unterschiedlich zusammengesetzte Legie- rung hat und in einem in der Fig. 1 linken Teil bevorzugt mit einer Segmentierung versehen ist, während in einem mittleren Teil im Bereich der Sicherheitsüberdeckung 2Z Sicherungen an- geordnet sind. Die Metallisierungsprofilierung kann auch durch Veränderung der wesentlichen Bestandteile der Legie- rung, also Aluminium und Zink, in Abhängigkeit von der Quer- richtung x bewirkt werden. Die Sicherungen können auch im rechten Teil der Fig. 1 angeordnet werden, wenn die Segmen- tierung über die ganze Folie ausgedehnt wird.