CN111104756A - 基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法。包括以下步骤：构建恒应力寿命模型，获得恒应力实验工况下金属化膜电容的预期寿命；构建老化模型，考虑金属化膜电容长时间尺度运行下，内部参数和应力发生变化，获得恒应力实验工况下，电容容值和等效串联电阻的退化曲线；构建分段积分累积损伤模型，分析实际工况下内外应力的变化带来的非线性老化，获得实际工况下金属化膜电容的预期寿命。本发明公开的方法考虑实际运行工况和电容退化过程，对金属化膜电容进行了寿命分析并得到预期寿命，为提高电力电子变换器的可靠性提供了参考。

Description

基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法

技术领域

本发明属于电力电子器件可靠性领域，涉及电容器寿命预测，具体是一种基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法。

背景技术

电容器是电力电子变换器中的关键器件，常起到平滑滤波，稳定直流电压，吸收高频电流等作用。同时，文献显示，电容也是电力电子系统中最易失效的部件之一。相较于传统的电解电容，金属化膜电容具有耐电压等级高、可靠性强、损耗低、维护成本低等优点，逐渐成为高压大容量电力电子变换器的首选。

然而，在实际的工程应用中，金属化膜电容的失效仍然时有发生，其高可靠性的特点没有得到表现，其实际寿命与传统寿命模型预测的寿命不符。因此，如何准确地预测实际应用工况下的金属化膜电容器寿命是亟待解决的关键问题。

目前常用的寿命预测模型主要分为两类：

第一类是基于电子设备可靠性预计手册，根据特定的使用条件，得到固定的失效率，工作失效率预计模型：

λ_p＝λ_bπ_Eπ_Qπ_CVπ_Kπ_ch (1)

式中：λ_p为工作失效率；λ_b为基本失效率；π_E为环境系数；π_Q为质量系数；π_CV为电容量系数；π_K为种类系数；π_ch为表面贴装系数。

该方法没有从失效机理的角度解释电容器的失效，仅给出特定环境下的经验值，预测的失效率与实际相差较大。

第二类是基于失效物理的传统恒应力寿命预测模型。文献(H.Wang andF.Blaabjerg,"Reliability of Capacitors for DC-Link Applications in PowerElectronic Converters—An Overview,"in IEEE Transactions on IndustryApplications,vol.50,no.5,pp.3569-3578,Sept.-Oct.2014.)指出，老化失效是金属化膜电容的主要失效模式，自愈过程的累积和电容内部的电化学反应是引发老化失效的主要失效机理，电应力和热应力是导致失效的关键应力。因此利用反幂模型描述电应力对于介质退化的影响，利用阿仑尼乌斯公式描述热应力对电化学反应的影响，得到传统的恒应力寿命模型：

式中：L和L_N分别为电容器在实际工况和额定工况下的寿命；U和U_N分别为电容器的实际运行电压和额定运行电压；T_hs和T_N分别为电容器的核心热点温度和额定温度；n和α分别为电压参数和温度参数。

该方法从失效机理的角度预测了电容的寿命，但是对失效机理的描述不全面，且未考虑实际工况中外应力的变化以及老化过程中内部参数和内应力的变化，因此预期的寿命与实际寿命也有较大差距。

总而言之，目前的金属化膜电容寿命预测方法多使用传统恒应力模型，缺乏对多失效机理的全面分析，没有考虑实际工况中外部应力变化的影响，也没有考虑老化导致的内部参数和内部应力改变的影响。

发明内容

针对现有技术中缺乏考虑结合电容老化和任务剖面对金属化膜电容进行寿命预测的模型的问题，本发明的目的在于提出一种基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法。综合考虑金属化膜电容器的失效机理，修正传统的恒应力寿命模型，得到改进的恒应力寿命模型；分析电容长时间运行下，容值和ESR的老化过程，建立老化模型，定量分析内部参数和应力的老化状态；分析实际工况中，不断变化的内外应力对电容寿命的影响，建立分段积分累积损伤模型，得到非线性退化曲线，最终得到金属化膜电容的预期寿命。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，包括以下步骤：

构建恒应力寿命模型，获得恒应力实验工况下金属化膜电容的预期寿命；

构建老化模型，考虑金属化膜电容长时间尺度运行下，内部参数和应力发生变化，获得恒应力实验工况下电容容值和等效串联电阻的退化曲线；

构建分段积分累积损伤模型，分析实际工况下内外应力的变化带来的非线性老化曲线，获得实际工况下金属化膜电容的预期寿命。

作为本发明的进一步改进，恒应力寿命模型的建模步骤包括：

(1)考虑到ESR随频率变化的特性，构建ESR的频率模型；

式中：ESR(f_h)为特定频率f_h下的ESR；ESR为10kHz下的ESR；A为频率参数；

(2)考虑到电流谐波的影响，构建损耗模型：

式中：I(f_h)为特定频率f_h下纹波电流的有效值；

(3)考虑到环境因素的影响，构建热模型：

式中：T_hs为核心热点温度，T_am为环境温度，R_th-hc为电容器核心热点到外壳的热阻，R_th-ca为电容器外壳到环境温度的热阻，v为风速；

(4)综合考虑电压、温度、谐波的影响，构建寿命模型：

式中：L和L_N分别为电容器在实际工况和额定工况下的寿命；U和U_N分别为电容器的实际运行电压和额定运行电压；T_hs和T_N分别为电容器的核心热点温度和额定温度；n和α分别为电压参数和温度参数；K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数；a、b和c分别为三个系数的影响因子。

作为本发明的进一步改进，老化模型的建模过程为：

考虑到电容器老化进程中，温度和ESR的耦合影响，以及电压、谐波、湿度对老化的贡献，构建老化模型：

式中：RH和RH_N分别为电容器运行的实际湿度和额定湿度；m为湿度参数。

作为本发明的进一步改进，分段积分累积损伤模型的建模过程包括以下步骤：

将电容的寿命周期分解为多个小的时间周期，用积分迭代的思路将老化和任务剖面的影响和恒应力模型融合，得到累积电容损失：

式中：t_p为给定迭代周期；

根据金属化膜电容器失效判定标准，当累积电容损失达到阈值时，判断电容失效。

作为本发明的进一步改进，获得恒应力实验工况下金属化膜电容的预期寿命具体步骤包括：

步骤1：确定电容的实际工况，获取任务剖面；

步骤2：对电压、电流进行FFT分析，得到各次谐波的分量，和描述电压谐波的均方根系数、峰值系数和波形系数：

步骤3：根据金属化膜电容数据手册，得到电容ESR的频率模型；

步骤4：根据步骤2、步骤3和损耗模型，计算金属化膜电容的初始损耗；

步骤5：根据金属化膜电容的数据手册、步骤1、步骤4和热模型，计算金属化膜电容的初始内部温升和核心热点温度；

步骤6：根据步骤1-步骤5、电容的数据手册和改进的恒应力寿命模型，计算该工况下的电容的初始预期寿命。

作为本发明的进一步改进，获得实际工况下金属化膜电容的预期寿命具体步骤包括：

步骤7：给定迭代周期，根据步骤6和分段积分累计损伤模型，计算第一个迭代周期的电容损失：

步骤8：根据金属化膜电容的数据手册、步骤1-步骤5和老化模型，计算一个计算周期后，电容的老化状态：

步骤9：重复步骤1-步骤8，迭代计算，得到金属化膜电容长时间运行下的电容损失、ESR、内部温升和核心热点温度的非线性老化曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的金属化膜电容器寿命预测方法，首先根据恒应力加速寿命实验，定量分析电压、电流、温度、谐波等应力对电容寿命的影响，得到改进的恒应力寿命模型；然后分析老化导致的ESR和核心热点温度的增加，得到老化模型；最后综合考虑金属化膜电容长时间运行下的内外应力的变化，利用分段积分累积损伤模型计算得到实际工况下的预期寿命。本发明公开的方法考虑实际运行工况和电容退化过程，对金属化膜电容进行了寿命分析并得到预期寿命，为提高电力电子变换器的可靠性提供了参考。具体优点如下：

(1)充分考虑金属化膜电容的失效机理，寿命模型更加准确；

(2)分析了金属化膜电容长时间运行的老化过程，定量分析了不同老化状态下，电容内部参数和内部应力的变化情况；

(3)构建了分段积分累积损伤模型，用于实际工况下的金属化膜电容寿命预测，用积分迭代的方法不断更新由老化带来的内部参数和内部应力的变化，以及由任务剖面带来的外部应力的变化，寿命预测结果更加准确，可信度更高。

附图说明

图1为本发明基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测结构框图；

图2为本发明MMC系统及子模块结构图；

图3为本发明MMC系统仿真结果，其中(a)为电容电压，(b)为纹波电流；

图4为本发明某地的任务剖面，其中(a)为温度剖面，(b)为湿度剖面；

图5为本发明金属化膜电容ESR与频率的关系；

图6为本发明金属化膜电容的非线性老化曲线，其中(a)为电容损失，(b)为ESR，(c)为内部温升，(d)为核心热点温度。

具体实施方式

本发明基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，包括以下步骤：

(1)构建改进的恒应力寿命模型

1)构建ESR频率模型根据金属化膜电容器的频率特性，ESR随频率的增加呈反比例下降的趋势，考虑到实际工况下，流经电容的纹波电流包含多次谐波，因此有必要构建ESR频率模型，以获取各个频率点的ESR。

式中：ESR(f_h)为特定频率f_h下的ESR；ESR(10kHz)为10kHz下的ESR，通常由电容厂商提供；A为频率参数。

2)构建损耗模型

准确地计算金属化膜电容内部损耗是构建热模型，进而计算电容预期寿命的基础。金属化膜电容器的损耗由流经其ESR的纹波电流产生，根据不同的应用背景，纹波电流可能包含工频波动、二倍频波动和开关频率波动等，对监测电流做FFT分析，结合ESR频率模型，损耗计算如下：

式中：I(f_h)为特定频率f_h下纹波电流的有效值；ESR(f_h)为特定频率f_h下的ESR；P_loss为电容的功率损耗。

3)构建热模型

通过电热比拟，将热运算转换为电运算，考虑了不同环境工况下热阻的变化，得到金属化膜电容的热模型如下：

式中：T_hs和T_am分别为电容的核心热点温度和环境温度，P_loss为电容的功率损耗；R_th-hc和R_th-ca分别为电容器核心热点到外壳的热阻和外壳到环境温度的热阻，v为风速。

4)构建改进的恒应力寿命模型

传统的恒应力寿命模型分析了电压应力、温度应力和纹波电流对金属化膜电容寿命的影响。考虑到电压谐波会影响金属化膜电容内部局部放电的强度和频率，进而影响电容寿命。因此，在传统模型的基础上，改进的寿命模型进一步分析了电压谐波对电容寿命的影响。

式中：L和L_N分别为电容器在实际工况和额定工况下的寿命；U和U_N分别为电容器的实际运行电压和额定运行电压；T_hs和T_N分别为电容器的核心热点温度和额定温度；n和α分别为电压参数和温度参数；K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数，由实际工况决定；a、b和c分别为三个系数的影响因子，由电容本身决定。

(2)构建老化模型

改进的恒应力模型认为，在电容的寿命周期内电容参数和所受的应力均不变。实际上，随着电容的长时间运行，其老化程度不断加深，内部参数和应力均发生变化。根据在线监测数据，电容损失和ESR随时间均呈指数增长。根据损耗模型和热模型，ESR的增长会导致核心热点温度的升高，升高的温度反过来会进一步加速电容的老化。因此，本发明分析了电容老化过程中ESR与核心热点温度的耦合关系，同时考虑了电压、谐波和湿度对老化的加速作用，构建老化模型如下：

式中：ESR(t)和ESR(0)分别为运行时间t和初始时刻的ESR；U和U_N分别为电容器的实际运行电压和额定运行电压；K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数，由实际工况决定；a、b和c分别为三个系数的影响因子，由电容本身决定；RH和RH_N分别为电容器运行的实际湿度和额定湿度；T_hs为电容器的核心热点温度；n、α和m分别为电压参数、温度参数和湿度参数。

(3)构建分段积分累积损伤模型

老化模型分析了金属化膜电容器长时间运行下，老化会导致其电容内部参数和内部应力的改变。在实际运行工况下，由于温度剖面和电路中电压、电流剖面的变化，电容的外部应力也在不断改变。本发明根据微分的思想，认为在短时间周期内，外部应力不变，且电容不发生老化，可根据改进的恒应力寿命模型计算预期寿命。

假设电容损失小于5％时，恒应力条件下电容损失呈线性增长，可将预期寿命转换为该周期内的电容损失。同时根据老化模型计算该周期内的ESR的老化情况，根据损耗模型和热模型计算该周期内核心热点温度的变化情况，在下一周期开启前更新变化后的电容内部参数和内外应力。不断地积分、迭代，直到电容损失达到5％的失效标准。这一过程表示为：

式中：ΔC(n)为电容运行n个迭代周期后的累计电容损伤；t_p为给定迭代周期；Li为第i个迭代周期工况下的预期寿命；C为电容容值。

实施例

下面结合具体实例对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，为本发明基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测结构流程框图，所述方法包括如下步骤：

步骤1：确定电容的实际工况，获取任务剖面；

以MMC系统为例，结构如图2所示，电容选用The Cornell Dubilier(Type 947D)。系统参数及电容参数如表1所示。

表1：MMC系统与电容的规格

利用MATLAB/Simulink仿真，得到电容电压和纹波电流的剖面，如图3所示，其中(a)为电压剖面，(b)为电流剖面。

从中国气象信息中心获得某地的年温度剖面和湿度剖面，如图4所示。(a)为温度剖面，(b)为湿度剖面。

步骤2：对电压、电流进行FFT分析，得到各次谐波的分量，和描述电压谐波的均方根系数、峰值系数和波形系数：

式中：K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数；V_rms、V_DC和V_p分别为电容电压的均方根值、直流分量和峰值；h和a_h分别为谐波次数和对应的谐波含量。

步骤3：根据金属化膜电容数据手册，得到电容ESR的频率模型；

根据The Cornell Dubilier(Type 947D)金属化膜电容的数据手册，10kHz处的ESR为1.8mΩ，频率参数A为31.86，因此频率模型为：

式中：ESR(f_h)为特定频率f_h下的ESR。

绘制电容随频率变化的曲线如图5所示。

步骤4：根据步骤2、步骤3和损耗模型，计算金属化膜电容的初始损耗；

式中：I(f_h)为特定频率f_h下纹波电流的有效值；ESR(f_h)为特定频率f_h下的ESR；P_loss为电容的功率损耗。

步骤5：根据金属化膜电容的数据手册、步骤1、步骤4和热模型，假设处于无风环境，计算金属化膜电容的初始内部温升和核心热点温度；

T_hs＝T_am+T_Δ＝52.5340℃ (15)

式中：T_Δ、T_hs和T_am分别为电容的内部温升、核心热点温度和环境温度；P_loss为电容的功率损耗。

步骤6：根据步骤1-步骤5、电容的数据手册和改进的恒应力寿命模型，计算该工况下的电容的初始预期寿命；

式中：L为电容器在实际工况的寿命；U为电容器的实际运行电压；T_hs为电容器的核心热点温度；K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数，由实际工况决定。

步骤7：给定迭代周期t_p＝1h，根据步骤6和分段积分累计损伤模型，计算第一个迭代周期的电容损失：

式中：ΔC(1)为电容运行1个迭代周期后的累计电容损伤；t_p为给定迭代周期；L(1)为第1个迭代周期工况下的预期寿命；C为电容容值。

步骤8：根据金属化膜电容的数据手册、步骤1-步骤5和老化模型，计算一个计算周期后，电容的老化状态：

T_hs(1)＝T_am(1)+T_Δ(1)＝52.4356℃ (20)

式中：ESR(1)为第1个迭代周期后的ESR；U为电容器的实际运行电压和额定运行电压；K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数，由实际工况决定；RH为电容器运行的实际湿度；I(f_h)为特定频率f_h下纹波电流的有效值；ESR(1,f_h)为第1个迭代周期后特定频率f_h的ESR；T_Δ(1)、T_hs(1)和T_am(1)分别为第1个迭代周期后电容的内部温升、核心热点温度和环境温度；

步骤9：重复步骤1-步骤8，迭代计算，得到金属化膜电容长时间运行下的电容损失、ESR、内部温升和核心热点温度的非线性老化曲线，如图6所示。(a)为电容损失，(b)为ESR，(c)为内部温升，(d)为核心热点温度。

如图6所示，本实例中金属化膜电容长时间运行下的电容损失和ESR呈现指数退化趋势。与传统方法预测得到的退化曲线相比，利用本发明基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命方法预测得到的退化曲线，更接近在线监测得到的实际老化情况。

根据金属化膜电容失效判据，当电容损失达到5％时，判定失效。利用本发明提出的基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，电容的预期寿命为105648h(12.06年)，符合工程实际。

所以，通过本发明提出了基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，充分考虑了实际工况下外部应力的变化和电容长时间运行下老化导致的内部参数和内部应力的变化对电容寿命的影响，解决了传统恒应力寿命模型预测结果脱离实际的问题。

本发明适用于任何工况下，金属化膜电容的寿命预测。同时，本发明的技术思想可进一步推广到其他电力电子系统关键器件的寿命预测，如电解电容、半导体器件等。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建恒应力寿命模型，获得恒应力实验工况下金属化膜电容的预期寿命；

构建老化模型，考虑金属化膜电容长时间尺度运行下，内部参数和应力发生变化，获得恒应力实验工况下电容容值和等效串联电阻的退化曲线；

构建分段积分累积损伤模型，分析实际工况下内外应力的变化带来的非线性老化曲线，获得实际工况下金属化膜电容的预期寿命。

2.根据权利要求1所述的基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，其特征在于，恒应力寿命模型的建模步骤包括：

(1)考虑到ESR随频率变化的特性，构建ESR的频率模型；

式中：ESR(f_h)为特定频率f_h下的ESR；ESR为10kHz下的ESR；A为频率参数；

(2)考虑到电流谐波的影响，构建损耗模型：

式中：I(f_h)为特定频率f_h下纹波电流的有效值；

(3)考虑到环境因素的影响，构建热模型：

式中：T_hs为核心热点温度，T_am为环境温度，R_th-hc为电容器核心热点到外壳的热阻，R_th-ca为电容器外壳到环境温度的热阻，v为风速；

(4)综合考虑电压、温度、谐波的影响，构建寿命模型：

式中：L和L_N分别为电容器在实际工况和额定工况下的寿命；U和U_N分别为电容器的实际运行电压和额定运行电压；T_hs和T_N分别为电容器的核心热点温度和额定温度；n和α分别为电压参数和温度参数；K_rms、K_p和K_f分别为均方根系数、峰值系数和波形系数；a、b和c分别为三个系数的影响因子。

3.根据权利要求1所述的基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，其特征在于，老化模型的建模过程为：

考虑到电容器老化进程中，温度和ESR的耦合影响，以及电压、谐波、湿度对老化的贡献，构建老化模型：

式中：RH和RH_N分别为电容器运行的实际湿度和额定湿度；m为湿度参数。

4.根据权利要求1所述的基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，其特征在于，分段积分累积损伤模型的建模过程包括以下步骤：

将电容的寿命周期分解为多个小的时间周期，用积分迭代的思路将老化和任务剖面的影响和恒应力模型融合，得到累积电容损失：

式中：t_p为给定迭代周期；

根据金属化膜电容器失效判定标准，当累积电容损失达到阈值时，判断电容失效。

5.根据权利要求1所述的基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，其特征在于，获得恒应力实验工况下金属化膜电容的预期寿命具体步骤包括：

步骤1：确定电容的实际工况，获取任务剖面；

步骤2：对电压、电流进行FFT分析，得到各次谐波的分量，和描述电压谐波的均方根系数、峰值系数和波形系数：

步骤3：根据金属化膜电容数据手册，得到电容ESR的频率模型；

步骤4：根据步骤2、步骤3和损耗模型，计算金属化膜电容的初始损耗；

步骤5：根据金属化膜电容的数据手册、步骤1、步骤4和热模型，计算金属化膜电容的初始内部温升和核心热点温度；

步骤6：根据步骤1-步骤5、电容的数据手册和改进的恒应力寿命模型，计算该工况下的电容的初始预期寿命。

6.根据权利要求5所述的基于任务剖面与老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法，其特征在于，获得实际工况下金属化膜电容的预期寿命具体步骤包括：

步骤7：给定迭代周期，根据步骤6和分段积分累计损伤模型，计算第一个迭代周期的电容损失：

步骤8：根据金属化膜电容的数据手册、步骤1-步骤5和老化模型，计算一个计算周期后，电容的老化状态：

步骤9：重复步骤1-步骤8，迭代计算，得到金属化膜电容长时间运行下的电容损失、ESR、内部温升和核心热点温度的非线性老化曲线。

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