激光供能系統(tǒng)壽命預(yù)估*

周 康，韋 樸，劉傳清*，潘海瑞，袁 航

(1.南京工程學(xué)院電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的快速建設(shè)與發(fā)展的環(huán)境下,電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知需求不斷深化。具體體現(xiàn)為電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)重要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)信息掌控,物聯(lián)網(wǎng)[1]作為信息感知和“物物互聯(lián)”重要技術(shù)手段,在智能電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮重要作用,尤其在高電位側(cè)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域更是如此。輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)高電位監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要更加安全可靠的供能技術(shù)和通信技術(shù)的支撐。電力系統(tǒng)自動(dòng)化和智能電網(wǎng)的發(fā)展,使得輸變電設(shè)備中智能電子設(shè)備和監(jiān)測(cè)的傳感器的應(yīng)用日益廣泛[2-3]。通常,傳感器和電子設(shè)備采用低壓直流供電,但在中高壓電氣設(shè)備的復(fù)雜工作環(huán)境下,常規(guī)通過人工補(bǔ)充傳感器節(jié)點(diǎn)能量的方法不再適用,其代價(jià)也是非常巨大的；受地理因素、高壓絕緣等條件的限制,用戶設(shè)備監(jiān)測(cè)傳感器的電源一般不能由低壓端直接提供,導(dǎo)致電源供給成為制約在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展急需突破的難題。因此,為保證監(jiān)測(cè)裝置穩(wěn)定有效的工作,高電位監(jiān)測(cè)傳感器的供電問題亟待解決。

基于以上現(xiàn)狀,我們研制了激光供能系統(tǒng),完成對(duì)高壓側(cè)的電源供給。由于可靠性問題是所有電子元器件最重要的問題[4],作為激光供能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,激光供能系統(tǒng)內(nèi)部所有電子元器件的可靠性對(duì)整個(gè)激光供能系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。因此,對(duì)激光供能系統(tǒng)的可靠性研究也是很有必要的。在19 世紀(jì)60 年代對(duì)于單應(yīng)力加速模型的研究便已經(jīng)開始了,例如關(guān)于溫度的Eyring 模型[1],Arrhenius 模型等[2]。20 世紀(jì)以來,研究者們對(duì)于電應(yīng)力的研究也有了很大進(jìn)展,提出的模型有指數(shù)模型以及逆冪律模型[5]。

許多電子元器件的理論壽命能達(dá)到數(shù)萬小時(shí),但是在激光供能系統(tǒng)的實(shí)際的應(yīng)用過程中,我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的電子元器件的實(shí)際使用壽命卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廠商所提供的有效使用時(shí)間,所以電子元器件的可靠性問題亟待解決,這樣才能更加可靠地將這些器件應(yīng)用于激光供能的系統(tǒng)中。

針對(duì)以上的情況,對(duì)激光供能系統(tǒng)建立了溫度-電應(yīng)力的雙應(yīng)力的可靠度數(shù)學(xué)模型,并且考慮到溫度或電應(yīng)力也會(huì)在一定范圍發(fā)生變化,所以將雙應(yīng)力其中的一個(gè)應(yīng)力也作為變量進(jìn)行可靠度的預(yù)測(cè)。與之前的單應(yīng)力的加速模型[6]相比,該模型的適用范圍更廣,限制條件更少。與現(xiàn)有的許多的多應(yīng)力模型[7]相比,不僅僅局限于單個(gè)電子元器件,而是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠度,實(shí)用性也更好。

1 激光供能系統(tǒng)壽命預(yù)估模型的建立

研制的激光供能系統(tǒng)原理圖如圖1 所示,該系統(tǒng)主要由高壓側(cè)的能量接收模塊以及低壓側(cè)激光供能模塊2 個(gè)主要部分組成,兩個(gè)模塊通過光纖進(jìn)行連接。低壓側(cè)的激光供能模塊主要由大功率激光二極管(High Power Laser Diode,HPLD)及其驅(qū)動(dòng)電路、溫控單元、雙向光纖通信單元和一個(gè)微處理器組成。其中雙向光纖通信單元采用垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting laser,VCSEL)及光電接收單元組成。微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有模塊的控制,并實(shí)現(xiàn)對(duì)外的以太網(wǎng)通信。

圖1 激光供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

高壓側(cè)的光電接收模塊主要功能是完成光電能量轉(zhuǎn)換,該模塊主要由光電池、能量管理單元、光電接收單元、雙向光纖通信單元和低功耗微處理器單元組成。能量管理單元采用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術(shù),實(shí)現(xiàn)電源的最大功率穩(wěn)壓輸出,雙向光纖通信單元通過VCSEL和光電接收單元完成和低壓側(cè)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信,微處理器可以控制以上所有單元,起到調(diào)控的作用。由于整個(gè)系統(tǒng)的供能和數(shù)據(jù)通信都采用了光纖作為介質(zhì),所以整個(gè)激光供能系統(tǒng)有著良好的抗干擾能力,安全可靠,實(shí)用性強(qiáng)。

基于研制的激光供能系統(tǒng),建立該系統(tǒng)的壽命預(yù)估模型。采用數(shù)學(xué)加速模型可暫不考慮其內(nèi)部失效機(jī)理。

基于Nelson 的廣義對(duì)數(shù)線性模型[8]基礎(chǔ)上建立溫度-電應(yīng)力的雙應(yīng)力加速模型。設(shè)溫度應(yīng)力為S1,電應(yīng)力為S2,應(yīng)力函數(shù)分別為y1=φ1(S1),y2=φ2(S2),所以溫度-電應(yīng)力的加速模型如下:

式中:τ是壽命指標(biāo)；λ0,λi均是待估參數(shù)。

溫度是常用的壽命加速應(yīng)力之一,這一應(yīng)力可加快電子元器件的內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致腐蝕加速、絕緣破壞、金屬電遷移等退化過程[9],這些過程對(duì)電子元器件影響符合Arrhenius 模型[10],因此,我們可以根據(jù)Arrhenius 模型得到溫度和壽命的函數(shù):

式中:τ為壽命特征,T為溫度,k為玻爾茲曼常數(shù),A為常數(shù),EA為電子激活能。

電應(yīng)力包括電壓、電流、功率等各種因素,對(duì)電子元器件的退化過程有著至關(guān)重要的作用,電應(yīng)力對(duì)電子元器件的影響符合逆冪律模型[11],同樣,我們可以得到電壓和壽命的函數(shù):

式中:τ為壽命特征,B和n均為常數(shù),U為電壓。

結(jié)合上式(2)和式(3),并對(duì)等式兩邊取對(duì)數(shù),建立溫度-電應(yīng)力的雙應(yīng)力加速的數(shù)學(xué)模型為

式中:μ為壽命分布函數(shù)的均值參數(shù)。

由經(jīng)驗(yàn)可知,電子產(chǎn)品的壽命分布通常采用正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布以及Weibull 分布進(jìn)行擬合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果得出:激光供能系統(tǒng)的壽命分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布[12]。所以,上述溫度-電應(yīng)力加速模型下的壽命函數(shù)可以使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行描述。其可靠度函數(shù)R為

式中:σ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

式中:tj為偽失效壽命。

根據(jù)對(duì)以上建立的激光功能系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的加速老化實(shí)驗(yàn),得到相關(guān)老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),代入式(4)和式(6)中,求得對(duì)應(yīng)的參數(shù)為

λ0=-0.884λ1=2 922.8λ2=-1.781λ3=610.559

所以,根據(jù)以上結(jié)果得到溫度-電應(yīng)力下的數(shù)學(xué)模型為

將式(7)代入式(5)中,可得到激光供能系統(tǒng)的可靠度函數(shù)R為

式中:? 代表公式常數(shù)量部分。

當(dāng)溫度和電壓在正常應(yīng)力下,即溫度取25 ℃,電壓取5 V,繪制出可靠度函數(shù)的曲線如圖2 所示?？梢缘弥?該激光供能系統(tǒng)在正常應(yīng)力下10 500 h以內(nèi)的可靠度都高于70%,處于較可靠的運(yùn)行時(shí)間。而在10 500 h 之后,系統(tǒng)的整個(gè)可靠度就會(huì)急劇下降,屬于不可靠的運(yùn)行時(shí)間。

圖2 激光供能系統(tǒng)在正常應(yīng)力下的可靠度曲線

2 系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)

整個(gè)激光供能系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖3 所示。圖中左側(cè)是供能系統(tǒng)的高電位側(cè),右側(cè)是低電位側(cè)。傳光光纖采用芯徑為62.5 μm 的多模光纖,通信光纖采用纖芯為50 μm 的多模光纖。高電位部分的光電池采用的是武漢凹偉能源科技有限公司的光電池,其型號(hào)為L(zhǎng)PC-6P-ST-A,開路電壓(Voc)為6.9 V,短路電流(Isc)為842.3 mA,峰值功率(Pmax)為5 018.51 mW,峰值電壓(Vpmax)為6.17 V,峰值電流(Ipmax)為813.96 mA,光電轉(zhuǎn)化效率大概在30%。光電池將接收到的光能轉(zhuǎn)化為電能,然后能量管理單元通過最大功率點(diǎn)跟蹤的方法將輸出功率最大化,供給輸出端使用。

圖3 激光供能系統(tǒng)實(shí)物圖

低電位部分的大功率激光器同樣也采用武漢凹偉能源科技有限公司的激光器,型號(hào)為L(zhǎng)DS-825-A,閾值電流(Ith)為1.25 A,波長(zhǎng)(wavelength)為821.3 nm,斜率效率(slope)為1.06 W/A,半高寬(FWHM)為2.3 nm。大功率激光器的右側(cè)是一個(gè)溫控單元,通過半導(dǎo)體制冷片和熱敏電阻保證激光器的恒溫。

激光供能系統(tǒng)的低壓側(cè)通過串口將整個(gè)供能系統(tǒng)接入上位機(jī),在上位機(jī)界面完成對(duì)供能系統(tǒng)的控制,同時(shí)也可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。圖4 為上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面。左側(cè)顯示為低壓側(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以在上位機(jī)上看見激光二極管和制冷片的實(shí)時(shí)電流和溫度,以及低壓側(cè)的環(huán)境條件(溫度、濕度)和系統(tǒng)功率。右側(cè)顯示為高壓測(cè)的數(shù)據(jù),同樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到主從光電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)(電流、電壓、功率、能量轉(zhuǎn)化效率)、主從電池、最大功率點(diǎn)跟蹤單元和系統(tǒng)負(fù)載的各項(xiàng)數(shù)據(jù)(電壓、電流、功率),以及高壓側(cè)的環(huán)境條件(溫度、濕度)和系統(tǒng)效率。

圖4 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

根據(jù)研制的激光供能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)獲得的壽命預(yù)估模型來預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)在不同的應(yīng)力條件下的可靠度曲線。由于在整個(gè)激光供能系統(tǒng)的實(shí)際的運(yùn)行過程中,單應(yīng)力的情況基本不太能滿足實(shí)際工作條件的需求,溫度和電壓這兩個(gè)應(yīng)力往往不可能保持恒定不變,所以我們需要考慮到電壓的變化以及溫度的變化情況。

首先考慮電壓恒定、溫度變化的情況,設(shè)定電壓恒定為5 V,分別選擇25 ℃、50 ℃和75 ℃3 種溫度梯度來預(yù)估整個(gè)激光供能系統(tǒng)的時(shí)效可靠性,如圖5所示,在25 ℃運(yùn)行條件下,系統(tǒng)運(yùn)行了10 500 h,可靠度從100%降為了70%；在50 ℃運(yùn)行條件下,系統(tǒng)運(yùn)行3 900 h,可靠度從100%降為了70%；在75 ℃運(yùn)行條件下,系統(tǒng)僅運(yùn)行了1 700 h,可靠度就從100%降為了70%。由此可見,在25 ℃～75 ℃溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,系統(tǒng)的可靠運(yùn)行時(shí)間(70%可靠度)大幅降低,溫度從25 ℃升高到75 ℃,系統(tǒng)壽命縮短了5/6 以上。所以,我們需要盡可能將該系統(tǒng)長(zhǎng)期置于溫度較低的運(yùn)行環(huán)境中,防止系統(tǒng)老化過快,壽命大幅縮短。

圖5 激光供能系統(tǒng)在不同溫度梯度下的可靠度曲線

其次考慮溫度恒定、電壓變化的情況,設(shè)定溫度恒定為25 ℃,分別選擇1 V、3 V 和5 V 3 種電壓梯度來預(yù)估整個(gè)激光供能系統(tǒng)的時(shí)效可靠性。如圖6所示,在5 V 運(yùn)行條件下,系統(tǒng)運(yùn)行了10 500 h,可靠度從100%降為了70%；在3 V 運(yùn)行條件下,系統(tǒng)運(yùn)行9 200 h,可靠度從100%降為了70%；在1 V 運(yùn)行條件下,系統(tǒng)僅運(yùn)行了6 900 h,可靠度就從100%降為了70%。由此可見,在額定電壓(5 V)電壓范圍內(nèi),隨著電壓的降低,系統(tǒng)的可靠運(yùn)行時(shí)間(70%可靠度)也隨之降低,電壓從5 V 降低到1 V,系統(tǒng)壽命縮短了近1/3。所以,我們需要盡可能使該系統(tǒng)長(zhǎng)期處于額定電壓的運(yùn)行電壓下,防止系統(tǒng)可靠度下降過快,系統(tǒng)過早失效。

圖6 激光供能系統(tǒng)在不同電壓梯度下的可靠度曲線

最后,考慮電壓和溫度同時(shí)變化的情況下,分別選擇25 ℃/5 V、50 ℃/3 V、75 ℃/1 V 3 種應(yīng)力條件預(yù)估整個(gè)激光供能系統(tǒng)的時(shí)效可靠性。如圖7 所示,在25 ℃/5 V 運(yùn)行條件下,系統(tǒng)運(yùn)行了10 500 h,可靠度從100%降為了70%；在50 ℃/3 V 運(yùn)行條件下,系統(tǒng)運(yùn)行3 600 h,可靠度從100%降為了70%；在75 ℃/1 V 運(yùn)行條件下,系統(tǒng)僅運(yùn)行了1 600 h,可靠度就從100%降為了70%。由此可見,在25 ℃/5 V～75 ℃/1 V 應(yīng)力范圍內(nèi),隨著應(yīng)力條件的變化,系統(tǒng)的可靠運(yùn)行時(shí)間(70%可靠度)也隨之變化,應(yīng)力條件從25 ℃/5 V 變成75 ℃/1 V,系統(tǒng)壽命縮短了近6/7。所以,為獲得最佳壽命曲線,系統(tǒng)必須長(zhǎng)期工作在常規(guī)應(yīng)力(25 ℃/5 V)條件下。

圖7 激光供能系統(tǒng)在不同應(yīng)力條件下的可靠度曲線

3 結(jié)論

根據(jù)電力在物聯(lián)網(wǎng)特高壓領(lǐng)域的實(shí)際需求,開展大功率激光供能技術(shù)的研究,研制系統(tǒng)樣機(jī)。建立激光供能系統(tǒng)的壽命預(yù)估的數(shù)學(xué)模型,分析在各種不同的實(shí)際工作應(yīng)力條件情況下,系統(tǒng)的真實(shí)可靠度曲線,并對(duì)可靠度曲線進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)高溫和低壓都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著很大的損傷,會(huì)大幅減少系統(tǒng)的可靠壽命(70%可靠度以上的壽命)。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)在常規(guī)應(yīng)力(25 ℃/5 V)下時(shí),系統(tǒng)的可靠壽命大約為10 500 h；在75 ℃的高溫條件下,系統(tǒng)的可靠壽命縮短5/6 以上；在1 V 的低壓條件下,系統(tǒng)的可靠壽命縮短近1/3；在75 ℃/1 V 的高溫低壓條件下,系統(tǒng)的可靠壽命縮短了近6/7。該模型根據(jù)供能系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的參數(shù),對(duì)系統(tǒng)的壽命進(jìn)行預(yù)估和分析,對(duì)提高系統(tǒng)可靠性,具有重要的意義。