金属化膜电容器可靠寿命预估方法

2020-09-02赵亮王喜亮童克锋夏依赵凤龙

工业技术创新 2020年4期

赵亮　王喜亮　童克锋　夏依　赵凤龙

摘要：提出一种能够度量金属化膜电容器正常工作的可靠寿命预估方法。对若干电容器样本进行加速寿命试验，根据试验结果的分布类型和电容器可靠度要求，进行置信下限预估，得到电容器的可靠寿命。选取10个样本，对某金属化膜电容器产品进行可靠寿命预估，得到产品可靠寿命为24.85万小时，满足不少于20万小时的设计要求。方法经济、有效，仅需选取6～20个样本，即可较为准确地度量电容器可靠寿命。对基于置信下限预估的可靠寿命计算公式中的相关参数予以替换，也可用于计算其他电容器的可靠寿命。

关键词：金属化膜;电容器;可靠寿命;可靠度;加速寿命试验;置信下限

中图分类号：TM533+.3 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2020） 04-112-04

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.021

引言

随着电动汽车、电力机车等产业对安全性要求的日益增长，作为电动汽车、电力机车重要部件的电容器也正不断地朝大容量、长寿命、高可靠性的方向发展[1]。在激烈的市场竞争中，各厂商对电容器寿命进行预估的方法各自不同，缺乏统一标准。因此迫切需要一种能公允、综合体现电容器产品可靠性、有效性的寿命预估方法。

本文以金属化膜电容器为研究对象，提出一种度量电容器可靠寿命的预估方法，该方法采用一定样本量的电容进行加速寿命试验[2]，并根据试验结果的分布类型和电容器可靠度要求，进行置信下限预估[3]，该置信下限即为可靠寿命。该方法可以较为经济、准确地度量电容器的工作性能。

1 电容器可靠寿命分析

1.1 电容器可靠寿命

电容器可靠寿命是电容器在规定的使用条件下完成规定功能的寿命[4]。电容器可靠寿命预估的基本任务是在失效机理的基础上，提出可供设计、计算的可靠度和寿命模型及方法，从而在设计阶段预测、估计电容器及其主要零部件在规定工作条件下完成规定功能的寿命，保证所设计的电容器产品达到规定的要求[5]。

1.2 金属化膜电容器可靠性分析

金属化膜电容器结构如图1所示，其主要失效模式发生在长期运行条件（暴露于电场和温度场的条件）下。在此条件下，聚丙烯薄膜发生老化，其非结晶区的击穿场强出现大幅降低[6]，导致电容大量发生自愈性击穿。当自愈性击穿达到一定程度时，将引发电容自愈失效，发生短路[7]，或使电容容量损失，达到寿命终结条件，此时均可认为电容器寿命终结。不同于可以通过环境应力筛选来剔除不合格电容器的早期失效模式，以上失效模式属于耗损型故障[8]，如要进行筛选，无法保障经济性和有效性[9]。

2 电容器可靠性度量参数

电容器可靠性度量参数包括可靠度和可靠寿命。

2.1 可靠度

可靠度指产品在规定条件下、规定时间内不发生故障的概率[10]。因此建议按照金属化膜电容器产品失效影响的重要性，以可靠度作为度量参数，并将可靠度分为5级，如表1所示。具体设计计算时，若无客户指定，可根据失效影响的重要性确定其可靠度级别[11]。

2.2 可靠寿命

任何产品均有使用寿命问题，因此除以可靠度作为可靠性度量参数外，还可采用可靠寿命来度量产品的可靠工作能力[12]。金属化膜电容器一般采用等寿命设计方法，因此其寿命本质上取决于关键零部件的寿命[13]。

产品的可靠度与它的使用时间有关，也就是说，可靠度是工作时间t的函数，金属化膜电容器也不例外。可靠度一般随工作时间的延长而逐渐下降[14]。在设计寿命期内，并不是所有产品都能可靠工作，因此采用可靠寿命来度量产品的可靠性更为合理。此外，可靠度与可靠寿命密切相关，即可靠寿命为给定可靠度下的寿命[15]。

可靠寿命一般通过统计试验确定[16]，其观测值是能够完成规定功能的产品的比例恰好等于给定可靠度时所对应的时间。例如，对100个金属化膜电容器进行寿命试验，指定可靠度R=0.9，若第10个金属化膜电容器发生失效时已经历的工作时间为200 h，则称可靠度为0.9的可靠寿命约为200 h。

3 电容器可靠寿命预估

3.1 试验方法

（1）明确所要预估的金属化膜电容器的可靠性要求是开展可靠寿命预估工作的前提，可靠性要求包括定性和定量的要求，涵盖可靠度、可靠寿命、失效率等指标;

（2）確认试验单元，设定加速寿命试验条件;