Конечно-элементный анализ влияния распределенности параметров танталового конденсатора на характер переходных процессов при заряде в цепи с малым сопротивлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

Конечно-элементный анализ влияния распределенности параметров танталового конденсатора на характер переходных процессов при заряде в цепи с малым сопротивлением

УДК 621.319.45

Барсуков В.К., Фокеев А.Е., Сибгатуллин Б.И.

Россия, Ижевск

Аннотация

Выполнено моделирование процесса заряда структуры распределенного конденсатора методом конечных элементов, проанализированы результаты. Определено, что области конденсатора вблизи катодного вывода подвергаются воздействию больших значений перенапряжений и токов. Кроме того, скорость нарастания напряжения в этих областях может быть выше, чем вблизи анодного вывода, что может привести к снижению напряжения пробоя конденсатора. Адекватность рассмотренной модели подтверждена экспериментально.

Ключевые слова: распределенные параметры, танталовый конденсатор, переходные процессы, напряжение пробоя, конечно-элементный анализ.

Танталовые конденсаторы обладают высокой удельной емкостью, надежностью, долговечностью и стабильностью параметров, что обусловило их широкое применение в высоконадежной продукции военного и аэрокосмического назначения. Высокая удельная емкость достигается за счет развитой поверхности пористой структуры танталового анода, изготавливаемого из мелкодисперсного танталового порошка, размеры частиц которого находятся в пределах от 2 до 10 мкм. Толщина диэлектрического слоя оксида тантала находится в пределах от 50 нм до 300 нм [1].

Анализ, проведенный в [2], показал, что при некоторых условиях расчет переходных процессов заряда танталового конденсатора с использованием лестничной и RCL схем замещения может дать различные результаты. Расхождение в результатах увеличивается при малых значениях сопротивления и индуктивности цепи, когда параметры цепи заряда в большей степени определяются параметрами конденсатора. В таких условиях конденсатор нельзя рассматривать как элемент с сосредоточенными параметрами. конденсатор ток катодный

Один из вариантов аппроксимации параметров конденсатора был предложен в [2]. Из-за различных значений постоянных времени RC-цепочек можно предположить, что переходные процессы заряда танталовых зерен в структуре конденсатора могут иметь различный характер.

(а)(б)

Рисунок 1 - Модель структуры конденсатора с распределенными параметрами (а), комбинация МКЭ и модели электрической цепи (б)

Для анализа влияния распределенности параметров танталового конденсатора на характер переходных процессов при заряде было проведено моделирование структуры конденсатора с распределенными параметрами (рисунок 1 а) методом конечных элементов (МКЭ) в программном пакете Comsol Multiphysics. Построенная модель с высокой степенью точности воспроизводит структуру танталового конденсатора. Для учета параметров внешней цепи заряда, построенная модель конденсатора совмещена с моделью электрической цепи, состоящей из источника постоянного напряжения, резистора и индуктивности (рисунок 1 б).

Построенная модель структуры конденсатора имеет емкость C = 1,72 мкФ и сопротивление ESR = 1,11 Ом. Частотная зависимость импеданса модели (рисунок 2 а) качественно совпадает с частотными характеристиками танталовых конденсаторов.

(а)(б)

Рисунок 2 - Частотная зависимость импеданса модели структуры конденсатора (а), результаты расчета переходных процессов методом конечных элементов и с использованием RCL и лестничной схемами замещения (б)

При малом значении сопротивления и индуктивности стенда (L_c = 10 нГн, R_c = 0,1 Ом) переходные процессы согласно модели конечных элементов в значительной степени отличаются от переходных процессов, рассчитанных для RCL-схемы замещения (рисунок 2 б). При этом они имеют схожий характер с переходными процессами, рассчитанными с использованием лестничной схемы замещения (большее максимальное значение зарядного тока в начальный период заряда, быстрое нарастание напряжения на клеммах конденсатора). Это обусловлено неравномерным распределением по структуре модели плотности зарядного тока и напряженности электрического поля.

Таким образом, процесс заряда локальных областей структуры конденсатора может протекать с различной скоростью. Вследствие этого напряженность пробоя диэлектрической пленки вблизи катодного вывода снижается, а вероятность пробоя увеличивается [3].

(а)(б)

Рисунок 3 - Напряженность электрического поля (а) и плотность электрического тока (б) при заряде распределенной структуры конденсатора при R_c = 0,1 Ом, L_c = 30 нГн

Возможны условия, при которых переходные процессы заряда локальных областей структуры конденсатора могут иметь различный характер (апериодический или колебательный) при общем апериодическом характере переходного процесса. На рисунке 3 представлены результаты расчета переходных процессов методом конечных элементов и с использованием RCL-схемы замещения при R-_c = 0,1 Ом, L_c = 30 нГн. Можно отметить, что процесс заряда области вблизи катодного вывода имеет колебательный характер, что приводит к возникновению кратковременного перенапряжения на диэлектрике (рисунок 3).

Таким образом, в условиях, когда импеданс зарядной цепи определяется в большей степени параметрами конденсатора, необходимо учитывать особенности его структуры и рассматривать конденсатор как элемент с распределенными параметрами. В этом случае лестничная схема замещения конденсатора дает более точные результаты.

Для проверки адекватности результатов моделирования, выполненного методом конечных элементов, и целесообразности использования лестничной схемы замещения при расчете переходных процессов были проведены измерения амплитуды импульса тока при заряде конденсатора в цепи с низким сопротивлением. Схема заряда конденсатора состояла из электролитического конденсатора EPCOS емкостью C = 22000 мкФ, полевого транзистора IRF3077 и токоизмерительного шунта 75ШСМ3. Сопротивление зарядной цепи не превышало 30 мОм, индуктивность - 50 нГн. Таким образом, сопротивление цепи заряда главным образом определялось ESR танталового конденсатора, которое имеет распределенный характер. График зарядного тока танталовых конденсаторов емкостью 68 мкФ и 680 мкФ приведен на рисунке 4. Для измерения тока использовался осциллограф Techtronix TDS2024C.

(а)(б)

Рисунок 4 - График зарядного тока танталового конденсатора емкостью 68 мкФ (а) и 680 мкФ (б)

Таким образом, форма зарядного тока танталового конденсатора имеет аналогичный вид, получаемый при использовании МКЭ или лестничной схемы замещения, что подтверждает адекватность модели.

Результаты моделирования методом конечных элементов позволяют выдвинуть гипотезу о том, что при заряде танталового конденсатора локальные области диэлектрика подвергаются воздействию перенапряжений при апериодическом процессе заряда, что, в свою очередь, приводит к снижению напряжения пробоя конденсаторов в процессе заряда от источника с низким импедансом.

Список литературы

1. Беленький, Б. Танталовые конденсаторы - проблемы и перспективы [Текст] / Б. Беленький, Н. Горбунов // Электроника: наука, технология, бизнес. - №7. - 2008.

2. Барсуков, В.К. Расчет и моделирование переходных процессов при испытаниях танталовых конденсаторов импульсным током [Текст] / В.К. Барсуков, Б.И. Сибгатуллин // «Интеллектуальные системы в производстве». - 2015. - №1 (25). - С. 115-120.

3. Барсуков, В.К. Пробой оксидных пленок танталовых конденсаторов при воздействии зарядных токов большой амплитуды [Текст] / В.К. Барсуков, Б.И. Сибгатуллин // Н 34 Наука. Технология. Производство -- 2016: Современные методы и средства диагностики электроэнергетического и электротехнического оборудования, средств и систем автоматики: материалы Всероссийской научно-технической конференции / редкол.: М.Г. Баширов и др.; под общ. ред. проф. М.Г. Баширова. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. - C. 23-26.

Размещено на Allbest.ru