趙亮　王喜亮　童克鋒　夏依　趙鳳龍

摘 ? 要： 提出一種能夠度量金屬化膜電容器正常工作的可靠壽命預(yù)估方法。對若干電容器樣本進(jìn)行加速壽命試驗，根據(jù)試驗結(jié)果的分布類型和電容器可靠度要求，進(jìn)行置信下限預(yù)估，得到電容器的可靠壽命。選取10個樣本，對某金屬化膜電容器產(chǎn)品進(jìn)行可靠壽命預(yù)估，得到產(chǎn)品可靠壽命為24.85萬小時，滿足不少于20萬小時的設(shè)計要求。方法經(jīng)濟(jì)、有效，僅需選取6～20個樣本，即可較為準(zhǔn)確地度量電容器可靠壽命。對基于置信下限預(yù)估的可靠壽命計算公式中的相關(guān)參數(shù)予以替換，也可用于計算其他電容器的可靠壽命。

關(guān)鍵詞： 金屬化膜;電容器;可靠壽命;可靠度;加速壽命試驗;置信下限

中圖分類號：TM533+.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-112-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.021

引言

隨著電動汽車、電力機(jī)車等產(chǎn)業(yè)對安全性要求的日益增長，作為電動汽車、電力機(jī)車重要部件的電容器也正不斷地朝大容量、長壽命、高可靠性的方向發(fā)展[1]。在激烈的市場競爭中，各廠商對電容器壽命進(jìn)行預(yù)估的方法各自不同，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此迫切需要一種能公允、綜合體現(xiàn)電容器產(chǎn)品可靠性、有效性的壽命預(yù)估方法。

本文以金屬化膜電容器為研究對象，提出一種度量電容器可靠壽命的預(yù)估方法，該方法采用一定樣本量的電容進(jìn)行加速壽命試驗[2]，并根據(jù)試驗結(jié)果的分布類型和電容器可靠度要求，進(jìn)行置信下限預(yù)估[3]，該置信下限即為可靠壽命。該方法可以較為經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地度量電容器的工作性能。

1 ?電容器可靠壽命分析

1.1 ?電容器可靠壽命

電容器可靠壽命是電容器在規(guī)定的使用條件下完成規(guī)定功能的壽命[4]。電容器可靠壽命預(yù)估的基本任務(wù)是在失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出可供設(shè)計、計算的可靠度和壽命模型及方法，從而在設(shè)計階段預(yù)測、估計電容器及其主要零部件在規(guī)定工作條件下完成規(guī)定功能的壽命，保證所設(shè)計的電容器產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的要求[5]。

1.2 ?金屬化膜電容器可靠性分析

金屬化膜電容器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要失效模式發(fā)生在長期運(yùn)行條件（暴露于電場和溫度場的條件）下。在此條件下，聚丙烯薄膜發(fā)生老化，其非結(jié)晶區(qū)的擊穿場強(qiáng)出現(xiàn)大幅降低[6]，導(dǎo)致電容大量發(fā)生自愈性擊穿。當(dāng)自愈性擊穿達(dá)到一定程度時，將引發(fā)電容自愈失效，發(fā)生短路[7]，或使電容容量損失，達(dá)到壽命終結(jié)條件，此時均可認(rèn)為電容器壽命終結(jié)。不同于可以通過環(huán)境應(yīng)力篩選來剔除不合格電容器的早期失效模式，以上失效模式屬于耗損型故障[8]，如要進(jìn)行篩選，無法保障經(jīng)濟(jì)性和有效性[9]。

2 ?電容器可靠性度量參數(shù)

電容器可靠性度量參數(shù)包括可靠度和可靠壽命。

2.1 ?可靠度

可靠度指產(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)不發(fā)生故障的概率[10]。因此建議按照金屬化膜電容器產(chǎn)品失效影響的重要性，以可靠度作為度量參數(shù)，并將可靠度分為5級，如表1所示。具體設(shè)計計算時，若無客戶指定，可根據(jù)失效影響的重要性確定其可靠度級別[11]。

2.2 ?可靠壽命

任何產(chǎn)品均有使用壽命問題，因此除以可靠度作為可靠性度量參數(shù)外，還可采用可靠壽命來度量產(chǎn)品的可靠工作能力[12]。金屬化膜電容器一般采用等壽命設(shè)計方法，因此其壽命本質(zhì)上取決于關(guān)鍵零部件的壽命[13]。

產(chǎn)品的可靠度與它的使用時間有關(guān)，也就是說，可靠度是工作時間t的函數(shù)，金屬化膜電容器也不例外。可靠度一般隨工作時間的延長而逐漸下降[14]。在設(shè)計壽命期內(nèi)，并不是所有產(chǎn)品都能可靠工作，因此采用可靠壽命來度量產(chǎn)品的可靠性更為合理。此外，可靠度與可靠壽命密切相關(guān)，即可靠壽命為給定可靠度下的壽命[15]。

可靠壽命一般通過統(tǒng)計試驗確定[16]，其觀測值是能夠完成規(guī)定功能的產(chǎn)品的比例恰好等于給定可靠度時所對應(yīng)的時間。例如，對100個金屬化膜電容器進(jìn)行壽命試驗，指定可靠度R=0.9，若第10個金屬化膜電容器發(fā)生失效時已經(jīng)歷的工作時間為200 h，則稱可靠度為0.9的可靠壽命約為200 h。

3 ?電容器可靠壽命預(yù)估

3.1 ?試驗方法

（1）明確所要預(yù)估的金屬化膜電容器的可靠性要求是開展可靠壽命預(yù)估工作的前提，可靠性要求包括定性和定量的要求，涵蓋可靠度、可靠壽命、失效率等指標(biāo);

（2）確認(rèn)試驗單元，設(shè)定加速壽命試驗條件;

（3）進(jìn)行加速壽命試驗，記錄試驗結(jié)果;

（4）將加速壽命試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際壽命，并確認(rèn)試驗結(jié)果分布類型;

（5）計算數(shù)據(jù)置信下限，得出預(yù)估的金屬化膜電容器可靠壽命。

3.2 ?應(yīng)用

金屬化膜電容器產(chǎn)品型號為DGMJ2-4300，其額定工作電壓為2 000 V DC，容量C=4 300 μF，壽命終結(jié)條件為|ΔC/C|≥3%。電容器平均工作環(huán)境溫度為45℃，失效率λ≤200 fit，電容器可靠壽命要求不少于20萬小時。

取10只電容器單元放置在80℃烘箱中，設(shè)定工作電壓為2 800 V DC。

記錄各樣本電容量C變化超過3%時的試驗時間，數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)壽命計算公式

（1）

其中，τN為電容器實際壽命;τS為電容器試驗壽命;US為試驗電壓，2 800 V DC;UN為額定電壓，2 000 V DC;α因子取9.35;TS為電容器試驗環(huán)境溫度，80℃;T0為電容器工作環(huán)境溫度，45℃。將以上參數(shù)代入式（1），可計算得電容器實際壽命，如表3所示。