金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命測試方法

金屬化(huà)膜是在薄膜上蒸鍍一層很薄的(de)鋁或鋁鋅合金電極。在薄膜中弱點發生擊穿時(shí),金屬電極蒸發并隔離故障點,使得(de)電容器迅速恢複絕緣得(de)以繼續正常工作,這(zhè)個(gè)過程稱之爲“自愈”,該過程中電弧燃燒消耗的(de)能量叫作自愈能量^［1］。自愈能量越大(dà),單次自愈過程中清除的(de)金屬電極面積越大(dà),金屬電極面積的(de)損失導緻電容量下(xià)降。

測試電容器的(de)電容量損失是一種衡量電容器運行狀況的(de)有效方法。當電容量損失增多(duō)時(shí),金屬化(huà)膜脈沖電容器耐壓性能下(xià)降,每次充放電電容量的(de)損失将大(dà)幅增加。通(tōng)常以電容量下(xià)降達到5% 時(shí)的(de)充放電次數作爲金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)工作壽命^［1］。

金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)電容量損失過程能夠作爲評估電容器工作狀況的(de)方法,這(zhè)就表明(míng)設備的(de)維護工作能夠預先制定,而不是等到電容器出現故障時(shí)再去維護。在大(dà)系統中出現電容器故障,後果可(kě)能是災難性的(de),其造成的(de)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大(dà)于維修設備的(de)花費。因此在金屬化(huà)膜脈沖電容器投入運行前,取其部分(fēn)樣品進行壽命測試是必要的(de),以此來(lái)了(le)解此種類型金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命特性。

金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命受到各種不同因素的(de)影(yǐng)響,下(xià)面討(tǎo)論這(zhè)些影(yǐng)響因素。

金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命受到所加電壓強度的(de)影(yǐng)響。有學者^［2］指出薄膜上外界壓強爲0,薄膜方阻爲1. 4 Ω/□時(shí),自愈能量與電壓的(de)關系如式( 1) 所示:

式( 1) 中,W_s爲自愈能量; U爲所加電壓; n爲系數。在其他(tā)一些學者的(de)研究中,n在2 ~ 6 之間變動^［3-4］。Kammermaier和(hé)Heywang指出表面自愈過程中金屬脫離面積與自愈能量成正比^［5-7］,比例關系如下(xià):

式( 2) 中,S爲自愈面積; d爲薄膜厚度。

在金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命測試中,薄膜自愈造成的(de)金屬層蒸發是電容量損失的(de)主要因素。因此電容器的(de)壽命與電容器自愈能量相關。結合( 1) 與( 2) ,可(kě)得(de)到式( 3) :

因此對(duì)于同種金屬化(huà)膜脈沖電容器,壽命與電壓的(de)關系可(kě)以表示如下(xià):

式( 4) 中,L爲壽命; U爲金屬化(huà)膜脈沖電容器所加電壓; m爲系數。可(kě)以發現金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命受到電壓的(de)影(yǐng)響顯著,随著(zhe)電壓的(de)升高(gāo),金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命近似呈指數關系下(xià)降。

研究表明(míng)0 ~ 20% 反峰電壓對(duì)金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)性能影(yǐng)響不大(dà),但當反峰電壓達到50%正向電壓以上時(shí),金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)電容量會急劇下(xià)降。設計者應該考慮到運行中反峰電壓造成的(de)電容量損失。電壓反向的(de)影(yǐng)響機理(lǐ)主要爲反向電壓與其内部慢(màn)極化(huà)電場(chǎng)相疊加,使介質承受較大(dà)電場(chǎng),導緻介質劣化(huà)、自愈增加、壽命下(xià)降^［8］。

有學者提出了(le)壽命與反峰電壓關系^［8］,如下(xià):

式( 5) 中 β 爲反峰系數,即反向電壓峰值與正向電壓峰值的(de)比值,而一般電流反峰率與電壓反峰率大(dà)小是一樣的(de)。

在環境溫度爲20 ℃ ~ 40 ℃ 時(shí),溫度對(duì)金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命的(de)影(yǐng)響不大(dà); 在溫度爲40 ℃~ 65 ℃ 時(shí),每增加8 ℃ ,金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命減半; 而在65 ℃以上時(shí),新的(de)故障出現,金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命急劇下(xià)降^［8］。因此電容器操作時(shí)的(de)環境溫度對(duì)金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命有顯著的(de)影(yǐng)響。

在脈沖放電過程中通(tōng)過電容器的(de)大(dà)電流會在電極之間産生很大(dà)的(de)電動力^［9］。金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)端部噴金處流過的(de)電流最大(dà),端部噴金接觸會受到破壞,導緻噴金脫落。當金屬與電介質的(de)接觸遭到破壞時(shí),金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)等效串聯阻抗增加,之後脈沖放電會使得(de)金屬化(huà)膜脈沖電容器出現過熱(rè),最終導緻其性能和(hé)壽命的(de)降低。

金屬化(huà)膜脈沖電容器流過脈沖電流會産生熱(rè)量,使得(de)薄膜介質劣化(huà),擊穿場(chǎng)強下(xià)降,自愈增多(duō),壽命下(xià)降^［8］。

基于上述影(yǐng)響金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命的(de)因素,在此提出一種金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命測試方法。此方法可(kě)以測試上述不同影(yǐng)響因素下(xià)金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命特性,并能夠模拟實際工況進行金屬化(huà)膜脈沖電容器測試,以此來(lái)了(le)解金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)品質并對(duì)其運行壽命進行預測^［10］。

金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命測試回路如圖1 所示,試品電容C充至預設電壓值後,晶閘管V_T導通(tōng),電容C對(duì)電阻R_f和(hé)電感L_f放電,電壓反轉時(shí),反向電流經過二極管V續流。晶閘管的(de)觸發信号經過設計,能提供多(duō)次連續觸發,保證電容器的(de)放電能夠持續到電壓幅值衰減爲可(kě)忽略的(de)極小值。

壽命測試原理(lǐ)如圖2 所示。圖2 爲典型的(de)二階放電電路。

金屬化(huà)膜脈沖電容器充電到設置電壓後,再合上開關,假設合開關前的(de)時(shí)間爲0,因此0 時(shí)刻電流爲零,起始電壓與起始電流如下(xià):

合上開關後回路方程如下(xià):

方程特征根如式( 8) 、( 9) :

根據實際工況下(xià)不同負載進行參數選擇,回路參數改變後,脈沖放電波形也(yě)随之改變,大(dà)緻分(fēn)爲3 種形式。

1) 過阻尼情況。 需要調節參數使得(de),即a > ω₀,特征根p₁和(hé)p₂爲不相等的(de)負實根。放電電流表達式如下(xià):

2) 臨界阻尼情況。調節回路參數,使得(de) ,即a = ω₀,特征根p₁和(hé)p₂爲相等的(de)負實根。放電電流表達式如下(xià):

3) 欠阻尼情況。 調節回路參數,使得(de),a 0,特征根p₁和(hé)p₂爲有負實部的(de)共轭複根,表達式如式( 12) 、( 13) :

式( 12) 、( 13) 中a、ω_o、ω_d滿足下(xià)式:

計算(suàn)得(de)到脈沖放電電流如下(xià):

即通(tōng)過這(zhè)樣的(de)回路設置,并進行參數調整,可(kě)以得(de)到脈沖條件下(xià)的(de)任意波形,進行壽命測試。

典型的(de)脈沖放電電流如圖3 所示,其爲欠阻尼情況。圖3 中金屬化(huà)膜脈沖電容器電容量爲40 μF,所加電壓5. 7 k V,電流幅值888 A,反峰系數10. 8% ,周期1. 1 ms。回路參數中電阻3. 5 Ω,電感418 μH。

高(gāo)壓充電電源廣泛應用(yòng)于等離子體物(wù)理(lǐ)、高(gāo)功率激光(guāng)、大(dà)功率微波、粒子束武器等領域。如今的(de)脈沖激光(guāng)發生器、醫療加速器、電源調制器和(hé)其他(tā)脈沖充電容放電回路都面臨著(zhe)系統給電容器充電的(de)問題。傳統充電電源采用(yòng)的(de)工頻(pín)高(gāo)壓電源和(hé)LC諧振充電方式,雖然電路簡單,但其體積和(hé)重量大(dà),低頻(pín)工作狀态以及紋波、穩定性均不能令人(rén)滿意。電力電子學的(de)飛(fēi)速發展和(hé)開關電源的(de)采用(yòng)使充電電源高(gāo)頻(pín)化(huà)成爲趨勢,且在國外已有快(kuài)速發展。美(měi)國的(de)Maxwell公司及EMI公司均研制了(le)開關模式的(de)适合脈沖電容充電的(de)系列高(gāo)壓電源。

充電方式是充電機選擇的(de)重要因素,主要分(fēn)爲3 種方式: 1RC直流恒壓充電; 2L-C諧振充電; 3LRC串聯諧振恒流充電。與恒壓充電相比較,LRC串聯諧振恒流充電時(shí)電容器上的(de)電壓上升速度均勻,充電時(shí)間較短,回路沒有限流電阻,消耗的(de)能量較少,利用(yòng)率高(gāo),因而使恒流充電适應了(le)激光(guāng)電源技術向重複頻(pín)率發展的(de)趨勢,得(de)到廣泛的(de)應用(yòng)。

如果使用(yòng)傳統的(de)恒壓充電,在充電初期,電容器上的(de)電壓較低,流過電源的(de)電流較大(dà),電源相當于短路,必須串聯電阻以限制電流,在充電後期,随著(zhe)電容器上的(de)電壓升高(gāo),降落在限流電阻上的(de)電壓降低,流經限流電阻的(de)充電電流減小,充電速度變慢(màn),消耗能量,利用(yòng)率低。分(fēn)别采用(yòng)恒流充電和(hé)恒壓充電時(shí)電容器上的(de)電壓上升曲線如圖4 所示,其中電壓線性上升的(de)爲恒流充電,可(kě)以看出在電源容量相同的(de)情況下(xià)恒流充電快(kuài)于恒壓充電[10]。

晶閘管是PNPN 4 層半導體結構,它有3 個(gè)極: 陽極,陰極和(hé)門極。晶閘管具有矽整流器件的(de)特性,能在高(gāo)電壓、大(dà)電流條件下(xià)工作,且其工作過程可(kě)以控制,在此選用(yòng)晶閘管進行脈沖放電的(de)導通(tōng)。當電壓過高(gāo),可(kě)将晶閘管進行串聯,增大(dà)整體的(de)耐壓能力。

脈沖放電過程中,在感性負載的(de)作用(yòng)下(xià),會出現欠阻尼回路,導緻電路出現振蕩。二極管的(de)作用(yòng)是給脈沖放電反向電流續流。當電壓增大(dà)後,可(kě)通(tōng)過二極管串聯以提高(gāo)整體耐壓能力。

當選用(yòng)串聯連接時(shí),每個(gè)開關元件的(de)參數不可(kě)能完全一緻,可(kě)能會出現分(fēn)壓不均,因此應該在二極管與晶閘管兩端并上均壓回路,其包括穩态均壓回路與暫态均壓回路。穩态均壓回路使晶閘管與二極管在穩态電流作用(yòng)下(xià),分(fēn)壓均勻。暫态均壓回路使得(de)晶閘管與二極管在瞬間脈沖作用(yòng)下(xià)能夠得(de)到均勻分(fēn)壓,避免因分(fēn)壓不均,導緻元件破壞,回路設置如圖5 所示。圖中R_j爲穩态均壓回路電阻,C_d與R_d爲動态均勻回路的(de)電容與電阻,其中電容起到了(le)緩沖回路沖擊的(de)作用(yòng)。

脈沖放電對(duì)于參數要求嚴格,一般無需很大(dà)的(de)電阻和(hé)電感,但在電阻與電感中需要通(tōng)過很大(dà)的(de)電流,并且電感與電阻需要方便調節以滿足不同波形的(de)要求,因此測試回路中電感和(hé)電阻的(de)形式需要認真考慮。

當需要測試金屬化(huà)膜脈沖電容器在特殊條件下(xià)的(de)壽命特性時(shí),需要在回路中增加适當的(de)設備以達到測試要求。如要測試不同溫度或濕度環境下(xià)金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命特性,可(kě)将金屬化(huà)膜脈沖電容器放入恒溫恒濕箱中,用(yòng)導線将其接入回路,進行壽命測試,以實現不同溫度或濕度下(xià)壽命測試,即進行特殊測試需要加入特殊設備。

本文對(duì)影(yǐng)響金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命的(de)因素進行分(fēn)析,提出了(le)按不同影(yǐng)響因素測試金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命特性的(de)方法,并對(duì)此測試方法的(de)原理(lǐ)與主要設備進行了(le)說明(míng)。此方式可(kě)高(gāo)效測試金屬化(huà)膜脈沖電容器的(de)壽命特性,對(duì)金屬化(huà)膜脈沖電容器壽命測試以及基于壽命測試而形成壽命預測具有一定的(de)指導意義。