铝电解电容的老化机理及寿命预测研究

2019-09-10 09:36:40 中小企业管理与科技·下旬刊2019年6期

赵鹏

【摘 要】论文研究了铝电解电容的内部结构与老化失效机理,分析环境温度与纹波电流对其使用寿命的影响,分析基于阿氏(Arrhenius)模型的寿命预测模型,依据电容工作情况评估其剩余使用寿命,有助于延长铝电解电容的使用寿命及寿期管理。

【Abstract】The paper studies the internal structure and aging failure mechanism of aluminum electrolytic capacitor, and analyzes the influence of the ambient temperature and ripple current on its service life respectively. Based on the life prediction model of Arrhenius module, the residual service life of capacitors can be evaluated according to the working conditions of capacitors, which is helpful to prolong the service life and life management of aluminium electrolytic capacitors.

【關键词】铝电解电容;老化失效机理;阿氏模型;寿命预测

【Keywords】aluminum electrolytic capacitor; aging failure mechanism; Arrhenius module; life prediction

【中图分类号】TM623                                          【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069(2019)06-0125-03

1 引言

由于某核电站的在役运行时间越来越长,运行设备的老化情况也引起了一定的关注。该核电站的仪表控制、相关低压电气设备从建站起已将近30年。铝电解电容作为核电站仪表控制、相关低压电气设备的关键元器件被广泛地应用于诸多系统中,长期运维发现在役和库存备件的各种型号的电容呈现程度不一的老化趋势。电解电容老化程度轻的会导致设备性能降级,影响核电站运行可靠性,重的会引起停机停堆等重大事故,造成重大经济损失及社会影响。因此,如何在日常运维过程中有效保证电解电容的可靠运行,成了一个需要迫切解决的问题。

本文针对某核电站重要直流及不间断电源系统铝电解电容的运维情况,研究电容的内部结构与老化失效机理,指出温度引起的热应力是影响电解电容使用寿命的决定性因素,同时研究了环境温度、纹波电流对使用寿命的影响,研究基于阿氏模型并结合电容的特征参数的寿命预测模型,并依据电容工作情况评估电容的剩余使用寿命,给出电容使用寿命延长方案,为电解电容器的寿期管理提供技术支持。

2 内部结构与老化失效机理

铝电解电容器内部结构是将附有氧化膜的铝箔(正极)和浸有电解液的衬垫纸,与阴极(负极)箔叠片一起卷绕而成。正负极金属箔片之间有两层浸过电解液的电解纸充当电介质和绝缘介质,外型封装有管式、立式,并在铝壳外有蓝色或黑色塑料套。

如图1,电解电容的安全工作区域由额定纹波电流与最高允许使用温度构成。相较于其他电子元器件,电解电容属于使用寿命较短的元器件,当其老化发展到一定程度时,电容的静态容量、等效串联电阻ESR、漏电流等关键性能参数均将发生重大变化,影响整个设备的稳定性与可靠性。

铝电解电容在实际应用的初期与稳定期内的故障率呈现较低状态,但随着内部电解液不断挥发,电解电容的外观和关键性能参数都会随之变化。电解电容中心核温由环境温度和纹波电流与ESR所产生的内部温升决定。电解液的挥发速率又会随着电容核心温度的升高而加快,进而导致电容的ESR变大,静态容量值变小,从而形成恶性循环,导致电解电容电解液挥发加速、伴随压力上升、温升变大,最终导致电解液干涸,电容功能失效,如图2。

3 电容寿命影响因素

电容老化失效机理指出温度是影响电容使用寿命的主要因素。以温度为加速寿命试验(ALT)的唯一环境应力,电容失效时间呈指数分布,则可采用化学动力学中的阿氏模型对其进行寿命预测与评估。目前,Rubycon、Nichicon、NCC等电解电容头部供应商在其产品手册中所使用的寿命预测模型,均是以阿氏模型为基础,并考虑环境温度、纹波电流的影响。

3.1 环境温度

电解电容失效机理显示,电解电容的老化失效是持续发生的化学过程,Rubycon公司基于阿氏模型与经验数据提供了电解电容的寿命预测模型公式:

LN=LR×2×2(1)

式中:TR是产品手册给出的电容最高允许工作温度;TA是电容的实际工作环境温度;LR为产品手册给出电容在温度TR条件下特征寿命;LN为电容在温度TA条件下的预测寿命。其中,2表征了周围环境温度对电容寿命的影响。在纹波电流一定的情况下,可知电解电容的工作环境温度每下降10摄氏度,其使用寿命便会延长1倍。相反,环境温度每升高10摄氏度,其使用寿命就会缩短1倍,一旦环境温度过高,超出电解电容的最高允许工作温度,将会造成电解电容中电解液沸腾,产生内部过压并进行不可逆泄压动作,导致电解液泄漏,使电解电容永久损坏。因此,可通过尽可能降低工作环境温度,来延长电解电容的使用寿命。

3.2 纹波电流

相较于金属化薄膜电容、陶瓷电容等其他类型电容,电解电容的损耗正切值tanδ较大,tanδ跟温度及电压相关,tanδ值越大,电容发热就越大,它是交流电压下介质中的能量损耗标称。当交流分量电流流经电解电容时,相应损耗就会产生并引起内部温升。该温升对于电解电容预测寿命的影响也遵循公式(1),由公式2表征,C为与电容类型相关的常数,可以查询产品手册得到。Tr与环境温度TA一起成为电解电容使用寿命的关键影响因子。内部温升Tr可以通过测量得到,也可以通过纹波电流归一化算法得到,Rubycon公司提供了内部温升推算公式如下:

Tr=Tr0()2  (2)

式中,Tr0为与电容类型相关的常数,kf是考虑到电解电容不同频率ESR不同,进而归一化到标准频率(如120Hz)的频率系数,这两个参数均可通过查询产品手册得到,Irms和Irms0分别为当前和额定的纹波电流有效值。温升导致的热应力对电容的使用寿命有重大影响,因此,由纹波电流引起的损耗是影响电解电容使用寿命的重要因子,现场使用时应尽可能减小电解电容的纹波电流。

3.3 外形尺寸及安装方式

工作条件下的电解电容中心核温TJ是内部温升Tr与环境温度TA共同影响的结果。热应力是影响电解电容使用寿命的决定性因素。如果电源内部空间允许,应尽量选取外形尺寸较大的电容,增大散热面积,且电容间保持必要的间隔,将有利于电容本体损耗热量的辐射与对流,有效降低电容

的内部温升Tr,同时注意电解电容的安装位置,远离发热

源,靠近通风口,降低环境温度TA,进而降低电解电容中心核温TJ。

4 电容寿命预测

随着技术设计、制造工艺等各方面日益成熟,各厂商推出了许多高纹波、长寿命的电解电容产品,同时国内外专家学者对其失效机理与寿命预测模型的研究也逐步深入,形成了大量的研究成果。基于对关键元器件的寿命预测模型,无需对产品整机进行老化试验,只需对部分关键元器件建模进行针对性的老化试验研究,即可全面有效地分析、评价产品的可靠性。

4.1 威布尔(Weibull)分布寿命预测模型

电容的可靠性一般可用威布尔分布表示:

R(t)=exp[-()β](3)

式中,R(t)为电容经过時间t可以正常运行的概率;tld为特征寿命;β为形态参数常量,与电压,温度无关,β可以通过加速老化试验和现场故障数据确定,tld为稳态工作状态下的特征寿命,与温度、电压应力有关:

tld=tldco×()×2 (4)

式中,tldco为电解电容在温度TR下使用寿命,Un和TR为额定电压和额定温度,U和TA为实际工作电压和工作温度,Vscale为比例因子。由公式(4)可知除了降低电容的工作环境温度,还可将额定电压高的电容应用于实际运行电压较低的工况(降额应用,降低电压应力),可以增加电容的安全边际,延长电容的使用寿命。

4.2 Rubycon 公司寿命预测模型

基于阿氏模型并根据经验数据测算,Rubycon公司提供了铝电解电容的预测寿命LN测算公式(1),此外,还提供了基于纹波电流归一化算法的内部温升Tr测算公式(2),以某核电站直流电源系统使用铝电解电容CO39 6800uF/160V/85℃,额定寿命LR=10000H,允许纹波电流Irms0=13.7A/100HZ,在环境为TA=50℃的130V/50HZ、Urms=99.09mV的电路中使用,通过查询产品手册可知,Tr0=5℃,C=0.571,Rs(ESR)=16mΩ,kf=0.8则可知Irms=Urms/Rs(ESR)=99.09mV/16mΩ=6.19A,则通过公式(2)可得Tr=1.59℃,将LR、TR、TA、C、Tr带入公式(1)可得预期寿命LN≈17.1年。

由公式(1)(2)可知,具体分析电解电容的使用寿命时,环境温度和纹波电流是两个必须同时考虑的重要因素。纹波电流和环境温度共同确定了电解电容的安全使用范围及使用寿命。在图1所示的安全工作区域内,环境温度越高,纹波电流越大,电解电容的使用寿命就越短。

5 结语

铝电解电容作为短板元器件制约了电源产品的使用寿命,温度引起的热应力是决定电解电容使用寿命的重要因素。本文基于电解电容的内部结构与老化失效机理,分析研究环境温度与纹波电流、外形尺寸及安装方式等因子对铝电解电容使用寿命的影响。研究了以电压应力、环境温度为变量的威布尔(Weibull)分布寿命预测模型、基于阿氏模型以环境温度、纹波电流温升为变量的Rubycon公司寿命预测模型,并测算了某核电站使用的铝电解电容的预期寿命,结果与现场实际情况基本相符。


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