浅谈铝电解电容器在线状态监测方法

姚建勇

（中车四方车辆有限公司，山东 青岛 266000）

现代电力电子电路广泛应用于工业、军事、航空航天等领域，这就伴随着电解电容器应用越来越广，但一些严重缺陷将会影响整个电力电子系统的稳定运行。因此，本文提出了一种简单有效且低成本的测量ESR 的实验方法，在参数退化的基础上分析了电解电容器的损坏条件，能通过短信使用GSM 技术连续拨打电话，通过SIM300 调制解调器发送AT 命令在移动设备上通知操作员电容器寿命终止。本方法基于低成本智能寿命评估技术，避免了阻抗分析仪、热数据分析仪以及加速老化测试试验台等昂贵仪器的使用。

1 电解电容器等效电路和参数退化

在电解电容器的等效模型中，等效为一个电容与ESR 串联的电路，并且ESR 值的变化比电容的变化更主要。ESR 值的变化和电流纹波直接相关。在电解电容器老化过程中，ESR 值的不断增加，其关系式为：

式中，ESR 是电容器实时ESR 值，ESR0是ESR 初始值，VO是电解液初始量，V 是电解液的实时量。

电解电容器老化过程伴随着内部电阻ESR 的增大和电容量的减小。当ESR 值增大到初始值的2 倍或者电容量减小到初始值的20%时可认为该电容器已经损坏，可以看出，ESR变化更为明显。因此，本研究集中在计算ESR 值的变化量来监测电容器健康状态的方法。本文搭建了实验平台用来测试不同电容器随频率变化的ESR 值。

本文采用阻抗分析仪AGILENT4294 在不同频率下测试了8 只10/450V，额定工作温度105℃的红宝石BXA 系列电解电容器，验证了上述结论。图1 显示10/450V，105℃红宝石BXA 系列电容器ESR 和阻抗Z 均值随频率的变化曲线。可以看出，高频时阻抗Z 可以近视看作ESR 值。

图1 和ESR 和频率的关系

2 测试平台和实验结果

图2 为微控制器在线测试平台拓扑，基于微控制器通过选择不同的频率库提供不同频率的开关脉冲。

图2 微控制器在线测试平台拓扑

隔离的脉冲信号驱动DC/DC 变换电路的MOS 管，这样就能得到不同频率下8 只电解电容器阻抗Z 和ESR 值的平均值。同时，通过阻抗分析仪测试8 只电解电容器在相应频率下阻抗Z 和ESR 值的平均值，表1 为测试结果。

表1 AGILENT4292 阻抗分析仪Z 值随 频率关系的比较

图3 是本文搭建的测试电路，为BUCK 电路，其工作频率为10kHz，运行温度依次控制为45℃，55℃，65℃，75℃，85℃，95℃，105℃，ESR 与温度的关系可通过在上述的温度点ESR 测试值得到。

图3 测试电路

表2 是加速老化测试之前8 只电解电容器ESR 初始值的均值。通过MATLAB 软件的拟合工具对ESR 初始值进行拟合，得到ESR 初始值和温度的函数关系。图4 是拟合结果。拟合函数方程为（95%置信度），其中a=3.346，b=-0.004303。即ESR 和温度的关系为：

公式两边取对数，则可以得到：

表2 10kHz 时不同温度下的ESR 初始值

图4 ESR 值和温度的拟合结果

表3 G.LUXON 电容器加速老化测试结果

通过在频率较高时测试得到的电容器阻抗值，就能得到在特定工作温度下的电容器健康状态。通过在最高工作温度105℃，10kHz 频率的环境下对电容器进行加速老化，老化过程中，ESR 不断增大，直到初始值的2 倍大即认为损坏。在加速老化测试前，8 只电容器的ESR 初始值均值为2.12Ω，表3 为老化处理的结果。

从上述结果可看出，大部门样品在加速老化处理的2 个小时左右损坏。因此，有必要在线监测电容器的健康状态。为了通知用户在在线测试电路中电解电容器的健康状态，本文方法在微处理器和用户移动设备之间设置了全双工传输方式，当ESR 增加到初始值的175%时，微处理器使用AT 指令向用户发送SMS 文档。

3 结语

本文提出了一种简单而低成本的能够在线或者离线状态下监测电解电容器老化过程中健康状态的方法。在BUCK 电路中，分析了电解电容器在老化过程中ESR 的变化。本文在低成本的实验平台上获得了ESR 和温度的函数关系，并测得了电解电容器的寿命关系。电容器ESR 值近似和阻抗相等并在LCD 上显示，通过终端应用程序保存为文本文件。当ESR值增加到初始值的175%时，微控制器向用户移动设备用AT指令发送SMS 文本消息。