淺談鋁電解電容器在線狀態監測方法

姚建勇

（中車四方車輛有限公司，山東 青島 266000）

現代電力電子電路廣泛應用于工業、軍事、航空航天等領域，這就伴隨著電解電容器應用越來越廣，但一些嚴重缺陷將會影響整個電力電子系統的穩定運行。因此，本文提出了一種簡單有效且低成本的測量ESR 的實驗方法，在參數退化的基礎上分析了電解電容器的損壞條件，能通過短信使用GSM 技術連續撥打電話，通過SIM300 調制解調器發送AT 命令在移動設備上通知操作員電容器壽命終止。本方法基于低成本智能壽命評估技術，避免了阻抗分析儀、熱數據分析儀以及加速老化測試試驗臺等昂貴儀器的使用。

1 電解電容器等效電路和參數退化

在電解電容器的等效模型中，等效為一個電容與ESR 串聯的電路，并且ESR 值的變化比電容的變化更主要。ESR 值的變化和電流紋波直接相關。在電解電容器老化過程中，ESR 值的不斷增加，其關系式為：

式中，ESR 是電容器實時ESR 值，ESR0是ESR 初始值，VO是電解液初始量，V 是電解液的實時量。

電解電容器老化過程伴隨著內部電阻ESR 的增大和電容量的減小。當ESR 值增大到初始值的2 倍或者電容量減小到初始值的20%時可認為該電容器已經損壞，可以看出，ESR變化更為明顯。因此，本研究集中在計算ESR 值的變化量來監測電容器健康狀態的方法。本文搭建了實驗平臺用來測試不同電容器隨頻率變化的ESR 值。

本文采用阻抗分析儀AGILENT4294 在不同頻率下測試了8 只10/450V，額定工作溫度105℃的紅寶石BXA 系列電解電容器，驗證了上述結論。圖1 顯示10/450V，105℃紅寶石BXA 系列電容器ESR 和阻抗Z 均值隨頻率的變化曲線。可以看出，高頻時阻抗Z 可以近視看作ESR 值。

圖1 和ESR 和頻率的關系

2 測試平臺和實驗結果

圖2 為微控制器在線測試平臺拓撲，基于微控制器通過選擇不同的頻率庫提供不同頻率的開關脈沖。

圖2 微控制器在線測試平臺拓撲

隔離的脈沖信號驅動DC/DC 變換電路的MOS 管，這樣就能得到不同頻率下8 只電解電容器阻抗Z 和ESR 值的平均值。同時，通過阻抗分析儀測試8 只電解電容器在相應頻率下阻抗Z 和ESR 值的平均值，表1 為測試結果。

表1 AGILENT4292 阻抗分析儀Z 值隨 頻率關系的比較

圖3 是本文搭建的測試電路，為BUCK 電路，其工作頻率為10kHz，運行溫度依次控制為45℃，55℃，65℃，75℃，85℃，95℃，105℃，ESR 與溫度的關系可通過在上述的溫度點ESR 測試值得到。

圖3 測試電路

表2 是加速老化測試之前8 只電解電容器ESR 初始值的均值。通過MATLAB 軟件的擬合工具對ESR 初始值進行擬合，得到ESR 初始值和溫度的函數關系。圖4 是擬合結果。擬合函數方程為（95%置信度），其中a=3.346，b=-0.004303。即ESR 和溫度的關系為：

公式兩邊取對數，則可以得到：

表2 10kHz 時不同溫度下的ESR 初始值

圖4 ESR 值和溫度的擬合結果

表3 G.LUXON 電容器加速老化測試結果

通過在頻率較高時測試得到的電容器阻抗值，就能得到在特定工作溫度下的電容器健康狀態。通過在最高工作溫度105℃，10kHz 頻率的環境下對電容器進行加速老化，老化過程中，ESR 不斷增大，直到初始值的2 倍大即認為損壞。在加速老化測試前，8 只電容器的ESR 初始值均值為2.12Ω，表3 為老化處理的結果。

從上述結果可看出，大部門樣品在加速老化處理的2 個小時左右損壞。因此，有必要在線監測電容器的健康狀態。為了通知用戶在在線測試電路中電解電容器的健康狀態，本文方法在微處理器和用戶移動設備之間設置了全雙工傳輸方式，當ESR 增加到初始值的175%時，微處理器使用AT 指令向用戶發送SMS 文檔。

3 結語

本文提出了一種簡單而低成本的能夠在線或者離線狀態下監測電解電容器老化過程中健康狀態的方法。在BUCK 電路中，分析了電解電容器在老化過程中ESR 的變化。本文在低成本的實驗平臺上獲得了ESR 和溫度的函數關系，并測得了電解電容器的壽命關系。電容器ESR 值近似和阻抗相等并在LCD 上顯示，通過終端應用程序保存為文本文件。當ESR值增加到初始值的175%時，微控制器向用戶移動設備用AT指令發送SMS 文本消息。