鋁電解電容的老化機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)研究

趙鵬

【摘 要】論文研究了鋁電解電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理，分析環(huán)境溫度與紋波電流對(duì)其使用壽命的影響，分析基于阿氏（Arrhenius）模型的壽命預(yù)測(cè)模型，依據(jù)電容工作情況評(píng)估其剩余使用壽命，有助于延長(zhǎng)鋁電解電容的使用壽命及壽期管理。

【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(guān)鍵詞】鋁電解電容;老化失效機(jī)理;阿氏模型;壽命預(yù)測(cè)

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

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0125-03

1 引言

由于某核電站的在役運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，運(yùn)行設(shè)備的老化情況也引起了一定的關(guān)注。該核電站的儀表控制、相關(guān)低壓電氣設(shè)備從建站起已將近30年。鋁電解電容作為核電站儀表控制、相關(guān)低壓電氣設(shè)備的關(guān)鍵元器件被廣泛地應(yīng)用于諸多系統(tǒng)中，長(zhǎng)期運(yùn)維發(fā)現(xiàn)在役和庫(kù)存?zhèn)浼母鞣N型號(hào)的電容呈現(xiàn)程度不一的老化趨勢(shì)。電解電容老化程度輕的會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能降級(jí)，影響核電站運(yùn)行可靠性，重的會(huì)引起停機(jī)停堆等重大事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。因此，如何在日常運(yùn)維過(guò)程中有效保證電解電容的可靠運(yùn)行，成了一個(gè)需要迫切解決的問(wèn)題。

本文針對(duì)某核電站重要直流及不間斷電源系統(tǒng)鋁電解電容的運(yùn)維情況，研究電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理，指出溫度引起的熱應(yīng)力是影響電解電容使用壽命的決定性因素，同時(shí)研究了環(huán)境溫度、紋波電流對(duì)使用壽命的影響，研究基于阿氏模型并結(jié)合電容的特征參數(shù)的壽命預(yù)測(cè)模型，并依據(jù)電容工作情況評(píng)估電容的剩余使用壽命，給出電容使用壽命延長(zhǎng)方案，為電解電容器的壽期管理提供技術(shù)支持。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理

鋁電解電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是將附有氧化膜的鋁箔（正極）和浸有電解液的襯墊紙，與陰極（負(fù)極）箔疊片一起卷繞而成。正負(fù)極金屬箔片之間有兩層浸過(guò)電解液的電解紙充當(dāng)電介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，外型封裝有管式、立式，并在鋁殼外有藍(lán)色或黑色塑料套。

如圖1，電解電容的安全工作區(qū)域由額定紋波電流與最高允許使用溫度構(gòu)成。相較于其他電子元器件，電解電容屬于使用壽命較短的元器件，當(dāng)其老化發(fā)展到一定程度時(shí)，電容的靜態(tài)容量、等效串聯(lián)電阻ESR、漏電流等關(guān)鍵性能參數(shù)均將發(fā)生重大變化，影響整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。

鋁電解電容在實(shí)際應(yīng)用的初期與穩(wěn)定期內(nèi)的故障率呈現(xiàn)較低狀態(tài)，但隨著內(nèi)部電解液不斷揮發(fā)，電解電容的外觀和關(guān)鍵性能參數(shù)都會(huì)隨之變化。電解電容中心核溫由環(huán)境溫度和紋波電流與ESR所產(chǎn)生的內(nèi)部溫升決定。電解液的揮發(fā)速率又會(huì)隨著電容核心溫度的升高而加快，進(jìn)而導(dǎo)致電容的ESR變大，靜態(tài)容量值變小，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致電解電容電解液揮發(fā)加速、伴隨壓力上升、溫升變大，最終導(dǎo)致電解液干涸，電容功能失效，如圖2。

3 電容壽命影響因素

電容老化失效機(jī)理指出溫度是影響電容使用壽命的主要因素。以溫度為加速壽命試驗(yàn)（ALT）的唯一環(huán)境應(yīng)力，電容失效時(shí)間呈指數(shù)分布，則可采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的阿氏模型對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)與評(píng)估。目前，Rubycon、Nichicon、NCC等電解電容頭部供應(yīng)商在其產(chǎn)品手冊(cè)中所使用的壽命預(yù)測(cè)模型，均是以阿氏模型為基礎(chǔ)，并考慮環(huán)境溫度、紋波電流的影響。

3.1 環(huán)境溫度

電解電容失效機(jī)理顯示，電解電容的老化失效是持續(xù)發(fā)生的化學(xué)過(guò)程，Rubycon公司基于阿氏模型與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了電解電容的壽命預(yù)測(cè)模型公式：

LN=LR×2×2（1）

式中：TR是產(chǎn)品手冊(cè)給出的電容最高允許工作溫度;TA是電容的實(shí)際工作環(huán)境溫度;LR為產(chǎn)品手冊(cè)給出電容在溫度TR條件下特征壽命;LN為電容在溫度TA條件下的預(yù)測(cè)壽命。其中，2表征了周?chē)h(huán)境溫度對(duì)電容壽命的影響。在紋波電流一定的情況下，可知電解電容的工作環(huán)境溫度每下降10攝氏度，其使用壽命便會(huì)延長(zhǎng)1倍。相反，環(huán)境溫度每升高10攝氏度，其使用壽命就會(huì)縮短1倍，一旦環(huán)境溫度過(guò)高，超出電解電容的最高允許工作溫度，將會(huì)造成電解電容中電解液沸騰，產(chǎn)生內(nèi)部過(guò)壓并進(jìn)行不可逆泄壓動(dòng)作，導(dǎo)致電解液泄漏，使電解電容永久損壞。因此，可通過(guò)盡可能降低工作環(huán)境溫度，來(lái)延長(zhǎng)電解電容的使用壽命。

3.2 紋波電流

相較于金屬化薄膜電容、陶瓷電容等其他類(lèi)型電容，電解電容的損耗正切值tanδ較大，tanδ跟溫度及電壓相關(guān)，tanδ值越大，電容發(fā)熱就越大，它是交流電壓下介質(zhì)中的能量損耗標(biāo)稱(chēng)。當(dāng)交流分量電流流經(jīng)電解電容時(shí)，相應(yīng)損耗就會(huì)產(chǎn)生并引起內(nèi)部溫升。該溫升對(duì)于電解電容預(yù)測(cè)壽命的影響也遵循公式（1），由公式2表征，C為與電容類(lèi)型相關(guān)的常數(shù)，可以查詢(xún)產(chǎn)品手冊(cè)得到。Tr與環(huán)境溫度TA一起成為電解電容使用壽命的關(guān)鍵影響因子。內(nèi)部溫升Tr可以通過(guò)測(cè)量得到，也可以通過(guò)紋波電流歸一化算法得到，Rubycon公司提供了內(nèi)部溫升推算公式如下：

Tr=Tr0（）2 ?（2）

式中，Tr0為與電容類(lèi)型相關(guān)的常數(shù)，kf是考慮到電解電容不同頻率ESR不同，進(jìn)而歸一化到標(biāo)準(zhǔn)頻率（如120Hz）的頻率系數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)均可通過(guò)查詢(xún)產(chǎn)品手冊(cè)得到，Irms和Irms0分別為當(dāng)前和額定的紋波電流有效值。溫升導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)電容的使用壽命有重大影響，因此，由紋波電流引起的損耗是影響電解電容使用壽命的重要因子，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)應(yīng)盡可能減小電解電容的紋波電流。

3.3 外形尺寸及安裝方式

工作條件下的電解電容中心核溫TJ是內(nèi)部溫升Tr與環(huán)境溫度TA共同影響的結(jié)果。熱應(yīng)力是影響電解電容使用壽命的決定性因素。如果電源內(nèi)部空間允許，應(yīng)盡量選取外形尺寸較大的電容，增大散熱面積，且電容間保持必要的間隔，將有利于電容本體損耗熱量的輻射與對(duì)流，有效降低電容

的內(nèi)部溫升Tr，同時(shí)注意電解電容的安裝位置，遠(yuǎn)離發(fā)熱

源，靠近通風(fēng)口，降低環(huán)境溫度TA，進(jìn)而降低電解電容中心核溫TJ。

4 電容壽命預(yù)測(cè)

隨著技術(shù)設(shè)計(jì)、制造工藝等各方面日益成熟，各廠商推出了許多高紋波、長(zhǎng)壽命的電解電容產(chǎn)品，同時(shí)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其失效機(jī)理與壽命預(yù)測(cè)模型的研究也逐步深入，形成了大量的研究成果?；趯?duì)關(guān)鍵元器件的壽命預(yù)測(cè)模型，無(wú)需對(duì)產(chǎn)品整機(jī)進(jìn)行老化試驗(yàn)，只需對(duì)部分關(guān)鍵元器件建模進(jìn)行針對(duì)性的老化試驗(yàn)研究，即可全面有效地分析、評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性。

4.1 威布爾（Weibull）分布?jí)勖A(yù)測(cè)模型

電容的可靠性一般可用威布爾分布表示：

R（t）=exp[-（）β]（3）

式中，R（t）為電容經(jīng)過(guò)時(shí)間t可以正常運(yùn)行的概率;tld為特征壽命;β為形態(tài)參數(shù)常量，與電壓，溫度無(wú)關(guān)，β可以通過(guò)加速老化試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)確定，tld為穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的特征壽命，與溫度、電壓應(yīng)力有關(guān)：

tld=tldco×（）×2 （4）

式中，tldco為電解電容在溫度TR下使用壽命，Un和TR為額定電壓和額定溫度，U和TA為實(shí)際工作電壓和工作溫度，Vscale為比例因子。由公式（4）可知除了降低電容的工作環(huán)境溫度，還可將額定電壓高的電容應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行電壓較低的工況（降額應(yīng)用，降低電壓應(yīng)力），可以增加電容的安全邊際，延長(zhǎng)電容的使用壽命。

4.2 Rubycon 公司壽命預(yù)測(cè)模型

基于阿氏模型并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算，Rubycon公司提供了鋁電解電容的預(yù)測(cè)壽命LN測(cè)算公式（1），此外，還提供了基于紋波電流歸一化算法的內(nèi)部溫升Tr測(cè)算公式（2），以某核電站直流電源系統(tǒng)使用鋁電解電容CO39 6800uF/160V/85℃，額定壽命LR=10000H，允許紋波電流Irms0=13.7A/100HZ，在環(huán)境為T(mén)A=50℃的130V/50HZ、Urms=99.09mV的電路中使用，通過(guò)查詢(xún)產(chǎn)品手冊(cè)可知，Tr0=5℃，C=0.571，Rs（ESR）=16mΩ，kf=0.8則可知Irms=Urms/Rs（ESR）=99.09mV/16mΩ=6.19A，則通過(guò)公式（2）可得Tr=1.59℃，將LR、TR、TA、C、Tr帶入公式（1）可得預(yù)期壽命LN≈17.1年。

由公式（1）（2）可知，具體分析電解電容的使用壽命時(shí)，環(huán)境溫度和紋波電流是兩個(gè)必須同時(shí)考慮的重要因素。紋波電流和環(huán)境溫度共同確定了電解電容的安全使用范圍及使用壽命。在圖1所示的安全工作區(qū)域內(nèi)，環(huán)境溫度越高，紋波電流越大，電解電容的使用壽命就越短。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁電解電容作為短板元器件制約了電源產(chǎn)品的使用壽命，溫度引起的熱應(yīng)力是決定電解電容使用壽命的重要因素。本文基于電解電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理，分析研究環(huán)境溫度與紋波電流、外形尺寸及安裝方式等因子對(duì)鋁電解電容使用壽命的影響。研究了以電壓應(yīng)力、環(huán)境溫度為變量的威布爾（Weibull）分布?jí)勖A(yù)測(cè)模型、基于阿氏模型以環(huán)境溫度、紋波電流溫升為變量的Rubycon公司壽命預(yù)測(cè)模型，并測(cè)算了某核電站使用的鋁電解電容的預(yù)期壽命，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本相符。