金属化膜脉冲电容器寿命测试方法
摘金属化膜脉冲电容器在脉冲功率装置中得到广泛的应用。当电容器内部出现短暂的薄膜击穿现象时电容器因自愈性能而恢复绝缘,使得电容器的稳定性得到提高。但由于自愈的不断进行,电容量不断减少。金属化膜脉冲电容器以5%的电容量下降作为寿命终结的标志。本文对影响金属化膜脉冲电容器寿命的因素进行了分析,提出了按不同影响因素测试金属化膜脉冲电容器寿命特性的方法,并对此测试方法的原理与主要设备进行了说明。此方法 可高效测试金属化膜脉冲电容器的寿命特性,对获取电容器寿命特性以及基于寿命测试而形成寿命预测具有一定的指导意义。
式( 1) 中,Ws为自愈能量; U为所加电压; n为系数。在其他一些学者的研究中,n在2 ~ 6 之间变动［3-4］。Kammermaier和Heywang指出表面自愈过程中金属脱离面积与自愈能量成正比［5-7］,比例关系如下:
式( 2) 中,S为自愈面积; d为薄膜厚度。
在金属化膜脉冲电容器的寿命测试中,薄膜自愈造成的金属层蒸发是电容量损失的主要因素。因此电容器的寿命与电容器自愈能量相关。结合( 1) 与( 2) ,可得到式( 3) :
因此对于同种金属化膜脉冲电容器,寿命与电压的关系可以表示如下:
式( 4) 中,L为寿命; U为金属化膜脉冲电容器所加电压; m为系数。可以发现金属化膜脉冲电容器的寿命受到电压的影响显著,随着电压的升高,金属化膜脉冲电容器寿命近似呈指数关系下降。
式( 5) 中 β 为反峰系数,即反向电压峰值与正向电压峰值的比值,而一般电流反峰率与电压反峰率大小是一样的。
图2 测试回路原理图Fig. 2 Test circuit diagram
金属化膜脉冲电容器充电到设置电压后,再合上开关,假设合开关前的时间为0,因此0 时刻电流为零,起始电压与起始电流如下:
合上开关后回路方程如下:
方程特征根如式( 8) 、( 9) :
根据实际工况下不同负载进行参数选择,回路参数改变后,脉冲放电波形也随之改变,大致分为3 种形式。
1) 过阻尼情况。 需要调节参数使得,即a > ω0,特征根p1和p2为不相等的负实根。放电电流表达式如下:
2) 临界阻尼情况。调节回路参数,使得 ,即a = ω0,特征根p1和p2为相等的负实根。放电电流表达式如下:
3) 欠阻尼情况。 调节回路参数,使得,a 0,特征根p1和p2为有负实部的共轭复根,表达式如式( 12) 、( 13) :
式( 12) 、( 13) 中a、ωo、ωd满足下式:
计算得到脉冲放电电流如下:
