金屬化膜電容器可靠壽命預估方法

趙亮　王喜亮　童克鋒　夏依　趙鳳龍

摘 ? 要： 提出一種能夠度量金屬化膜電容器正常工作的可靠壽命預估方法。對若干電容器樣本進行加速壽命試驗，根據試驗結果的分布類型和電容器可靠度要求，進行置信下限預估，得到電容器的可靠壽命。選取10個樣本，對某金屬化膜電容器產品進行可靠壽命預估，得到產品可靠壽命為24.85萬小時，滿足不少于20萬小時的設計要求。方法經濟、有效，僅需選取6～20個樣本，即可較為準確地度量電容器可靠壽命。對基于置信下限預估的可靠壽命計算公式中的相關參數予以替換，也可用于計算其他電容器的可靠壽命。

關鍵詞： 金屬化膜;電容器;可靠壽命;可靠度;加速壽命試驗;置信下限

中圖分類號：TM533+.3 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-112-04

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.021

引言

隨著電動汽車、電力機車等產業對安全性要求的日益增長，作為電動汽車、電力機車重要部件的電容器也正不斷地朝大容量、長壽命、高可靠性的方向發展[1]。在激烈的市場競爭中，各廠商對電容器壽命進行預估的方法各自不同，缺乏統一標準。因此迫切需要一種能公允、綜合體現電容器產品可靠性、有效性的壽命預估方法。

本文以金屬化膜電容器為研究對象，提出一種度量電容器可靠壽命的預估方法，該方法采用一定樣本量的電容進行加速壽命試驗[2]，并根據試驗結果的分布類型和電容器可靠度要求，進行置信下限預估[3]，該置信下限即為可靠壽命。該方法可以較為經濟、準確地度量電容器的工作性能。

1 ?電容器可靠壽命分析

1.1 ?電容器可靠壽命

電容器可靠壽命是電容器在規定的使用條件下完成規定功能的壽命[4]。電容器可靠壽命預估的基本任務是在失效機理的基礎上，提出可供設計、計算的可靠度和壽命模型及方法，從而在設計階段預測、估計電容器及其主要零部件在規定工作條件下完成規定功能的壽命，保證所設計的電容器產品達到規定的要求[5]。

1.2 ?金屬化膜電容器可靠性分析

金屬化膜電容器結構如圖1所示，其主要失效模式發生在長期運行條件（暴露于電場和溫度場的條件）下。在此條件下，聚丙烯薄膜發生老化，其非結晶區的擊穿場強出現大幅降低[6]，導致電容大量發生自愈性擊穿。當自愈性擊穿達到一定程度時，將引發電容自愈失效，發生短路[7]，或使電容容量損失，達到壽命終結條件，此時均可認為電容器壽命終結。不同于可以通過環境應力篩選來剔除不合格電容器的早期失效模式，以上失效模式屬于耗損型故障[8]，如要進行篩選，無法保障經濟性和有效性[9]。

2 ?電容器可靠性度量參數

電容器可靠性度量參數包括可靠度和可靠壽命。

2.1 ?可靠度

可靠度指產品在規定條件下、規定時間內不發生故障的概率[10]。因此建議按照金屬化膜電容器產品失效影響的重要性，以可靠度作為度量參數，并將可靠度分為5級，如表1所示。具體設計計算時，若無客戶指定，可根據失效影響的重要性確定其可靠度級別[11]。

2.2 ?可靠壽命

任何產品均有使用壽命問題，因此除以可靠度作為可靠性度量參數外，還可采用可靠壽命來度量產品的可靠工作能力[12]。金屬化膜電容器一般采用等壽命設計方法，因此其壽命本質上取決于關鍵零部件的壽命[13]。

產品的可靠度與它的使用時間有關，也就是說，可靠度是工作時間t的函數，金屬化膜電容器也不例外。可靠度一般隨工作時間的延長而逐漸下降[14]。在設計壽命期內，并不是所有產品都能可靠工作，因此采用可靠壽命來度量產品的可靠性更為合理。此外，可靠度與可靠壽命密切相關，即可靠壽命為給定可靠度下的壽命[15]。

可靠壽命一般通過統計試驗確定[16]，其觀測值是能夠完成規定功能的產品的比例恰好等于給定可靠度時所對應的時間。例如，對100個金屬化膜電容器進行壽命試驗，指定可靠度R=0.9，若第10個金屬化膜電容器發生失效時已經歷的工作時間為200 h，則稱可靠度為0.9的可靠壽命約為200 h。

3 ?電容器可靠壽命預估

3.1 ?試驗方法

（1）明確所要預估的金屬化膜電容器的可靠性要求是開展可靠壽命預估工作的前提，可靠性要求包括定性和定量的要求，涵蓋可靠度、可靠壽命、失效率等指標;

（2）確認試驗單元，設定加速壽命試驗條件;

（3）進行加速壽命試驗，記錄試驗結果;

（4）將加速壽命試驗數據轉換為實際壽命，并確認試驗結果分布類型;

（5）計算數據置信下限，得出預估的金屬化膜電容器可靠壽命。

3.2 ?應用

金屬化膜電容器產品型號為DGMJ2-4300，其額定工作電壓為2 000 V DC，容量C=4 300 μF，壽命終結條件為|ΔC/C|≥3%。電容器平均工作環境溫度為45℃，失效率λ≤200 fit，電容器可靠壽命要求不少于20萬小時。

取10只電容器單元放置在80℃烘箱中，設定工作電壓為2 800 V DC。

記錄各樣本電容量C變化超過3%時的試驗時間，數據如表2所示。

根據壽命計算公式

（1）

其中，τN為電容器實際壽命;τS為電容器試驗壽命;US為試驗電壓，2 800 V DC;UN為額定電壓，2 000 V DC;α因子取9.35;TS為電容器試驗環境溫度，80℃;T0為電容器工作環境溫度，45℃。將以上參數代入式（1），可計算得電容器實際壽命，如表3所示。