开关脉冲电容器的可靠性试验研究分析

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开关脉冲电容器的可靠性试验研究分析??

钟征，孙权，周经伦，赵建印，林洁(国防科技大学系统工程研究所，湖南长沙410073)??摘要：结合美国惯性约束聚变(ICF)装置脉冲电容器的试验情况，从可靠性的角度讨论了脉冲电容器的可靠性筛选试验、老炼试验和寿命试验，并简要地介绍了脉冲电容器性能数据处理的几种途径，以及几种常用的电容器加速寿命试验模型。?
关键词：脉冲电容器；可靠性试验；老炼；加速寿命试验

ResearchonReliabilityestingofImpulseCapacitor
?
ZONGZheng，SUNQuan，ZOUJing?lun，ZAOJian?yin，LINJie?

(SystemEngineeringInstitute,NationalUniversityofDefenceechnology,Changsha410073,China)

　　Abstract：BasedontestsofimpulsecapacitorforInertialConfinementFusion(ICF),thispaperanalysesqualificationandacceptancetestsofcapacitorsfromareliabilitystandpoint.Screeningtests,burn?in,lifetestingarediscussed.hispaperalsoprovidessomemethodsforprocessingperformancedataandsomemodelsforacceleratedlifetestingofimpulsecapacitors.　　
Keywords：pulsecapacitors;Reliabilitytesting;Burn?in;Acceleratedlifetesting?
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1　引言?
　　脉冲电容器是用于贮存电能并在很短时间内释放的电容器，是当前使用最广泛的脉冲功率电源之一。它主要用于冲击电压发生器、冲击电流发生器、冲击分压器及振荡回路等高压试验装置，又可应用于电磁成型、液电成型、液电破碎、贮能焊接、地质勘探等领域［1］。近十多年来，脉冲电容器在惯性约束聚变、强磁场、新概念电磁炮、电化学枪、等离子技术、火箭技术、环保、生物工程及医学领域有了较快的发展［2.3］。
　　为了了解、评估、验证、分析和提高电容器可靠性而进行的试验，称为电容器的可靠性验。电容器的可靠性试验是电容器设计、生产、验收工作的重要组成部分，是保证和提高电容器器可靠性的必要手段。可靠性试验的数据和结论是合理使用电容器、合理设计结构、选择制造工艺和实施工艺控制的重要依据。?
　　脉冲电容器的试验主要分为出厂试验、型式试验和验收试验。出厂试验的目的是检查电容器的制造缺陷，保证各项性能指标符合有关标准，并向用户提供必要的实测数据；型式试验的目的是表明电容器符合一定的标准所规定的性能和运行要求；验收试验是为了执行合同，由用户进行的试验。本文从可靠性的角度来分析脉冲电容器一些主要试验内容。?

2　可靠性筛选试验?
　　电容器的固有可靠性取决于它的设计和材料以及制造工艺，生产过程中的质量控制。但是由于批量生产中的材料缺陷、工艺、设备状况、人为因素，导致生产出来的电容器不能保证完全的合乎要求。一般电子产品失效率可用“浴盆曲线”(如图1)描述。电容器筛选试验的目的就是将不符合使用要求和早期失效的电容器用适当的方法剔除，使电容器迅速入偶发失效阶段。所有电容器产品都要100%的进行筛选试验。脉冲电容器的筛选试验主要有如下一些内容：?
　　(1)外观及外部尺寸检查
　　这是一项花费少收效大的检查筛选。?
　　(2)密封性试验?
　　电容器密封性不好会引起电容量漂移，介质强度、电晕电压、绝缘电阻降低，损耗增大，甚至促使早期失效。密封性试验是用来剔除泄漏率超过规定值的产品。?
　　(3)电容量测量
　　电容量测量的目的是剔除超出容差范围的产品。脉冲电容器的电容量允许偏差由实际应用要求决定，一般为±10%，测量频率为50z，测量准确度不低于2%［1］。在某些应用中，脉冲电容器的电容量允许偏差在0～+10%范围内［4］。容值测量包括初测电容值和复测电容值，目的在于：a)检查电容偏差是否超过有关标准；b)检查电压试验前后电容量是否有变化，从而判断有无元件击穿、熔丝熔断或元件开路现象；c)提供用户实际测量的电容数据。?
　　(4)耗损角正切值的测量
　　耗损角正切值为电容器的损耗与无功功率之比，用tanδ表示。是对交流电容器很重要的绝缘性能指标。tanδ在脉冲电容器工作中影响很小，一般由厂家和用户规定。?
　　(5)电压试验?
　　电压试验是对电容器实施规定的电压来考核电容器的绝缘承受电压能力的试验。脉冲电容器的电压试验一般按1.1倍额定电压耐压1min。

3　老炼试验?
　　电容器老炼试验的目的是使电容器的微结构进入稳定状态，以便使电容器在工作状态下具有设计赋予的稳定功能。老炼可以修补电容器中的某些缺陷，改善电容器的可靠性，提高其整体性能。老炼试验也会剔除部分不能进入期望状态的产品。对于全膜电容器，电流老炼可以改善引线片与铝箔的接触面，减少接触电阻，增强导电性能，从而改进了电容器的寿命特征；对金属化膜电容器，老炼烧掉了接触面上的疵点，使芯子端面与蒸发金属膜接触良好，阻止了电容器的“放炮”现象，提高了电容器的绝缘性能，延长了工作寿命［5］。老炼和筛选试验一样，产品需要100%地进行。例如，美国的Nova设施使用的是55MJ的电容器组，包含2,600个储能12.5kJ的电容器，特征寿命为213，000发，为暴露易于早期失效的单元，每个电容器在升高的电压条件下进行了500发老炼试验［6］。?

4　寿命试验?
　　电容器寿命试验的目的是为了了解电容器的性能和可靠性水平，一般属于验收试验项目。实施方法是在一批电容器中选取一定数量的样品，通过正常的测试后，实际使用过程中进行跟踪，或在实验室模拟实际使用过程中的主要条件，或在人工控制的条件下进行试验。脉冲电容器工作时，其放电经历时间远小于充电时间，因此它的工作寿命不同于持续电压下工作的电容器以其电压下工作的时间长短来表示，而应以一定条件下的充放电次数来衡量。
4.1工作寿命试验?
　　脉冲电容器处于正常工作条件下的寿命试验即为工作寿命试验。工作寿命试验通常采用截尾试验方式，可以分为定数截尾和定时截尾试验。截尾试验的主要问题是确定测试周期，投试样品量和截尾时间。我国脉冲电容器的技术要求和验收试验规定比较简单，一般按1.1倍额定电压耐压1min，在放电电阻不小于1～2Ω的条件下，允许放电次数为10,000次，属于定时截尾试验。这10,000次充放电的基本寿命指标是以低储能密度为代价取得的［6］。美国Beamlet装置电容器的验收试验在分配于大概45个单元的300个电容器上进行。每一电容器开始首先进行了电容量的测量，在25kV条件下进行1min的端面接触试验，在通常条件下进行25发老炼试验。通过对电容器重新测量以辨识电容是否存在，然后取每一单元的3个电容器进行1,000发试验。每250发进行一次电容量的测量，其中之一外推至10,000次发射后电容器是否失效，即3个电容器取其一进行10,000次发射，任何一个失效则重新从该单元再取3个进行测试。任何2个失效则拒绝整个单元［7］。
　　脉冲电容器工作寿命试验获得的试验数据分为两类：失效数据和性能退化数据。失效数据的可靠性分析相关理论已相当成熟，对于电容器主要采用Weibull分析的相关方法。脉冲电容器的寿命一般要求在充放电10,000次以上，较难观察到失效，试验中通常是每隔一定充放电次数测量一下电容量。为了对脉冲电容器所在的系统进行可靠性分析，需要通过试验记录的电容器性能数据来评价脉冲电容器的可靠性。电容器性能数据的处理方法有以下几种途径。?
　　(1)曲线拟合?
　　这是脉冲电容器退化数据分析使用最广泛的一种方法。一般可以将试验得到的电容器性能退化数据拟合成直线或曲线，外推电容器的寿命。由于电容器寿命较长(一般在10,000次充放电以上)，而电容量变化较小(5%以内)，拟合曲线时需要对数据进行变换。例如，Maxwell公司为美国NIF装置研究的电容器，在经过初始筛选试验后，进行了寿命试验。对试验获得的性能数据采用最小二乘法拟合成直线，如图2所示。?

　　(2)B-S分布?
　　B-S分布是1969年Birnbaum和Saunders在研究主裂纹扩张导致机械失效的过程中推导出来的，在疲劳失效中应用比较广泛。该分布的优点是由物理过程推出，能反映物理性能在使用过程中的变化，而本身却是一个寿命分布。国外处理电容器性能数据多用直线拟合，类似B-S分布的推导过程［8］，可以推导得到脉冲电容器寿命的分布。B-S分布能否在电容器产品上广泛应用，仍需要大量试验数据检验。?
　　(3)性能退化模型?
　　脉冲电容器的失效一般来说属于退化失效(电容量随脉冲次数缓慢下降至失效限值)，不同于材料断裂、电路短路等突发性失效。现有可靠性理论中统计分析的对象均为寿命数据，通过退化数据评定电容器产品的可靠性的关键是退化量模型的建立。国内外对退化模型的研究正在进行［9］，效果并不是很理想。目前，我们正在建立脉冲电容器的电容量退化模型。?
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4.2　加速寿命试验?
　　电容器的加速寿命试验是通过加大应力，促使电容器失效进行加速，目的是为了缩短试验时间，减少试验费用，快速评价电容器的可靠性水平。常用的电容器加速寿命试验模型有如下几种：?
　　(1)逆幂律模型?
　　脉冲电容器的加速寿命试验可以采用电压作为加速应力。根据试验结果发现，在一定的温度下，电容器的寿命L与电压V的关系为
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　　其中：A为与电容器类型相关的常数，C为一个与激活能有关的常数。?
　　对上述关系两边取对数，将逆幂律模型线性化为：?
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　　假设放电条件不变，电容器在电压U0下的寿命为L0，由逆幂律模型容易得关系式：?
　　?L＝L0.（U/U0）m
其中：m=-C。Maxwell公司C1型脉冲电容器在两种不同电压下的寿命试验结果如图3所示，该型号电容器m取值为-24。?
(2)Arrhenius模型?
当脉冲电容器加速寿命试验采用温度作为加速应力时，使用Arrhenius模型作为加速模型。
　　?
　　其中为寿命；为绝对温度；A为常数；B为与激活能有关的参数。?
　　(3)指数模型?
　　美国军用标准MIL-HDBK-217E(1986)对各种电容器建议使用指数模型［10］??
　　　
　　其中，L为寿命，V为电压，A与B为待定常数。?
　　(4)混合应力模型?
　　对于电容器，以温度和电压同时作为加速应力，可以采用如下模型［11］：

　　其中：L为寿命；为绝对温度；V为电压；A、B、C均为参数。?
?　加速寿命试验，按照应力施加方式的不同，通常分为三种类型：恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。恒定应力加速寿命试验是把全部样品分成几组，每组样品都在某个恒定加速应力水平下进行寿命试验，试验到规定时间或规定失效个数结束。步进应力加速寿命试验是把全部样品先放在某个加速应力水平下进行试验，如此进行下去，应力逐步提高，直至规定时间或达到一定数量的样品失效个数，试验结束。序进应力加速寿命试验和步进应力加速寿命试验基本相同，只是施加的加速应力是一个随时间连续增加的函数。恒加试验方法简单、成熟，但试验时间较长，样品数量较大；步加试验方法较复杂，对试验设备要求较高，但试验时间较短，样品数量也较少；序加试验时间与样品数量最少，但技术更复杂，要求有专门的试验设备控制等速增加应力，故应用不广。基于线性化的逆幂律模型和Weibull分布，王锡清等提出了恒定、步进应力组合加速寿命试验及数据统计分析方法，编制了数据统计通用软件［12］。该方法在可靠性水平的估计精度方面优于步进应力试验方法；在节省试验时间方面优于恒定应力试验方法。?

5　结束语?
　　电容器是电子与机械产品重要的元器件，它的性能好坏、可靠性高低直接影响到所在系统的性能和可靠性。国内电容器行业近年来越来越重视电容器的可靠性，但是可靠性的理论和试验方法并没有完全贯彻到生产和试验中，特别是电容器试验并没有明确和可靠性联系上。在国外很多应用中，产品的可靠性是置于性能之前的，产品在使用之前会作大量的试验来提高、验证可靠性。国内对此重视不够。从可靠性的角度来分析电容器的试验，能更充分地认识试验的目的、作用和意义，能应用可靠性试验的相关理论和方法来合理设置试验、改进试验方法、更有效的分析试验数据，从而节约时间和经费。?

参考文献

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［1］王国康,宛季华.新型电介质在电力电容器中的应用［M］.北京:水利电力出版社,1993.［2］秦实宏,刘克富,李劲,等.脉冲功率电源电容器保护的试验研究［J］.高压电器,2001,37(4):4～6.?
［3］[JP3]EnnisJB,MacDougallFW,CooperRA,etal.RepetitivePulseApplicationofSelf?healingighVoltageCapacitors［C］.In:InernationalPowerModulatorConference,ollywood(USA):2002.[JP]?
［4］EnnisJB,MacDougallFW,CooperRA,etal.Self?healingPulseCapacitorsforheNationalIgnitionFacility(NIF)［C］.Inroceedingof12thIEEEInternationalPulsedPowerConference,Monterey(USA):1999,114.?
［5］[JP5]黄斌,林福昌,姚宗干,等.电流老炼对脉冲电容器寿命的影响［J］.高电压技术,2000,26(3):2122.[JP]?
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［7］LarsonD,MacDougallFW,ardyP,etal.heImpactofighEnergyDensityCapacitorswithMetallizedElectrodeinLargeCapacitorBanksforNuclearFusionApplication［C］.Inroceedingof9thIEEEInternationalPulsedPowerConference，Albuquerque(USA):1993.?
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［9］韩明.无失效数据的可靠性分析［M］.北京:中国统计出版社,1999.?
［10］茆诗松,王玲玲.加速寿命试验［M］.北京:科学出版社,2000.?
［11］胡昌寿.可靠性工程—设计、试验、分析、管理(下)［M］.北京:宇航出版社,1989.?
［12］王锡清,张皓,杨广斌.恒定及步进应力加速寿命试验在电容器中的应用［J］.杭州电子工业学院学报.2001,21(1):7～11.?
　

beacherdon

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巨孚仪器吴先生

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阿牛

学习中！！！！！！！！！！

yangfeng196

學習一下，UTX-薄膜電容專業製造