Вопросы надежности и срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов. Часть 1

№ 2’2015
PDF версия
Алюминиевые электролитические конденсаторы (с жидким электролитом) получили очень широкое распространение в разнообразной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре. Большую удельную электрическую емкость, высокие удельный заряд, удельную мощность и удельную энергию при достаточно широком рабочем диапазоне температур, весьма широком диапазоне возможных значений номинальных напряжений и приемлемых паразитных параметрах они удачно сочетают с доступной стоимостью. Алюминиевые электролитические конденсаторы считаются оптимальным накопителем энергии (емкостным фильтром) с низким полным сопротивлением для работы в диапазоне частот от нескольких десятков герц до нескольких килогерц или, соответственно, при длительности процессов от десятков микросекунд до единиц миллисекунд.

Необходимость применения алюминиевых электролитических конденсаторов только при определенной полярности напряжения на них обычно не создает особых проблем. По техническим характеристикам их могли бы потеснить танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы, а также полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы, однако все эти варианты настолько дороже, что их применение остается нишевым.

При всех привлекательных качествах стандартных алюминиевых электролитических конденсаторов ситуацию омрачают сравнительно частые отказы, к тому же нередко имеющие весьма неприятные последствия: порча соседних компонентов, дорожек и маски печатной платы химически агрессивными компонентами электролита, короткое замыкание силовых цепей и выводов компонентов [1]. По некоторым данным, на долю алюминиевых электролитических конденсаторов приходится до 70% всех повреждений компьютеров и компьютеризированных систем [1]. Как следствие, нередко встречается подход, подразумевающий «презумпцию виновности» алюминиевых электролитических конденсаторов. То есть при любых неисправностях оборудования первоначально пытаются искать дефектные конденсаторы или даже прибегают к сплошной замене всех установленных алюминиевых электролитических конденсаторов на новые, и только если указанные меры не дали результата, проверяют другие возможные причины отказа. Поэтому весьма востребованы алюминиевые электролитические конденсаторы с увеличенным сроком службы и расширенным диапазоном рабочих температур. Ведущие производители таких конденсаторов проводят масштабные исследования, совершенствуют конструктивные решения, используемые материалы и технологии для улучшения характеристик надежности и срока службы. Рассмотрению вопросов корректного применения алюминиевых электролитических конденсаторов, а также получению адекватных оценок их ресурса в зависимости от режима работы, посвящено значительное количество публикаций в различных технических журналах (например, [2]) и в фирменных руководствах компаний — изготовителей конденсаторов.

Однако почти все эти технические материалы предусматривают использование алюминиевых электролитических конденсаторов при строгом соблюдении правильной полярности подаваемого напряжения и непревышении номинального уровня напряжения. Даже если для некоторых типов алюминиевых электролитических конденсаторов изготовитель допускает кратковременное превышение номинального напряжения (на 8–30% для высоковольтных и низковольтных конденсаторов соответственно), отсутствует информация о том, как такие режимы могут повлиять на надежность и срок службы. Перенапряжения выше установленного уровня категорически не допускаются. Также в документации обычно присутствует жесткий запрет на подачу напряжения обратной полярности, независимо от его величины.

Для многих областей применения алюминиевых электролитических конденсаторов, в которых возможный диапазон изменения напряжения находится «под контролем» разработчика аппаратуры и не выходит за пределы 0…+UНОМ, стандартная информация о надежности и сроке службы полностью применима и достаточна. Но существует целый ряд важных задач, где использование алюминиевых электролитических конденсаторов перспективно по техническим и/или экономическим соображениям, но при этом проблематично или даже невозможно исключить воздействие на них больших кратковременных перенапряжений или появление напряжения обратной полярности. В первую очередь это касается высоковольтных конденсаторов большой емкости в установках с питанием от промышленной сети, являющейся источником атмосферных и коммутационных перенапряжений с большой энергией и неопределенными параметрами. Значительная стоимость таких конденсаторов стимулирует снижение запасов по напряжению.

Другой пример — использование конденсаторов в формирователях мощных импульсов с полным разрядом накопителя. Вот почему очень актуальна статья [3] сотрудников компании Evox Rifa — одного из ведущих мировых производителей высококачественных алюминиевых электролитических конденсаторов. В ней представлены обширные экспериментальные материалы поведения алюминиевых электролитических конденсаторов при воздействии на них аномальных напряжений, а также интерпретация результатов испытаний с акцентом на особенности конструкции, технологии изготовления и протекающие физико-химические процессы. Кроме того, сотрудники Evox Rifa высказывают ряд важных соображений для разработчиков преобразовательной техники, что помогает сделать правильный выбор и применить необходимые высоковольтные алюминиевые электролитические конденсаторы. Далее вниманию читателей предлагается перевод статьи [3].

 

Введение

Наиболее важной характеристикой конденсатора, определяющей возможность его использования в качестве компонента электрической схемы, является величина допустимого напряжения. Однако эту способность — выдерживать приложенное напряжение — невозможно нормировать единственным значением даже у одного и того же алюминиевого электролитического конденсатора. Она зависит от ряда дополнительных факторов, в том числе от продолжительности воздействий тех или иных уровней напряжений, возникающих в реальном применении. Кроме того, существенное влияние оказывают предыстория нагрузки конденсатора, его температурный режим, количество и частота повторения импульсов перенапряжений. Поэтому нормирование допустимых величин напряжения на алюминиевом электролитическом конденсаторе следует производить с учетом этих условий.

Дополнительное влияние на проблему выбора допустимого напряжения на конденсаторе оказывают экономические соображения. Стремление к снижению стоимости оборудования подталкивает к минимизации запасов безопасной работы компонентов. В то же время возможный значительный ущерб, возникающий в случае отказов конденсаторов, требует безусловного обеспечения высокого уровня надежности аппаратуры. Необходимым условием успешного разрешения этой коллизии становится наличие подробной и достоверной информации о поведении алюминиевых электролитических конденсаторов при различных вариантах воздействия перенапряжений. Предлагаемая статья призвана осветить поведение алюминиевых электролитических конденсаторов «на пределе их возможностей», при подаче на них напряжений смещения различных уровней: около номинальной величины и превышающих ее. Дополнительно описаны экспериментальные методы и контрольные измерения, которые используются в Evox Rifa при разработке алюминиевых электролитических конденсаторов. Они предназначены для моделирования различных условий воздействия аномальных напряжений, возникающих в реальных устройствах силовой электроники.

Высоковольтные электролитические алюминиевые конденсаторы большого размера в корпусах с выводами «под винт» широко применяются в качестве емкостного накопителя на шине постоянного тока в частотных преобразователях электроприводов, системах бесперебойного электропитания и инверторах. Для подобных устройств критерий системной надежности имеет наивысший приоритет. По этой причине уделяется особое внимание надежности высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов, чтобы гарантировать большой срок службы оборудования в вышеуказанных областях применения. Причем наиболее важными параметрами конденсаторов, определяющими возможность их применения для конкретных задач, являются характеристики, нормирующие их способность выдерживать приложенное напряжение, в том числе с уровнями выше номинальной величины. С учетом различных условий воздействия напряжения, в первую очередь его продолжительности, используют следующие характеристики:

  • номинальное, или рабочее напряжение;
  • повторяющееся кратковременное перенапряжение (surge voltage);
  • неповторяющееся переходное перенапряжение (transient voltage) и ряд других.

Следует иметь в виду, что превышение допустимого напряжения (даже на несколько миллисекунд) способно привести к немедленному повреждению высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора или же необратимому ухудшению его характеристик.

Основная проблема для инженеров, проектирующих преобразовательную технику и выбирающих оптимальные параметры конденсаторов, используемых в качестве емкостного фильтра на промежуточной шине постоянного тока, состоит в том, что зачастую нельзя указать точную границу для максимального напряжения, которая никогда не будет превышена при реальном применении оборудования. Особенно это касается параметров возможных кратковременных перенапряжений. Дополнительные трудности появляются при использовании батареи высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов, включенных между собой последовательно и параллельно, где на напряжение на том или ином конденсаторе влияют величины емкостей других конденсаторов, которые могут значительно отличаться от экземпляра к экземпляру, а также изменяются с течением времени.

Стандартное решение этой проблемы заключается в обеспечении при проектировании преобразовательного устройства существенного запаса между допустимым напряжением применяемых алюминиевых электролитических конденсаторов и ожидаемым максимальным напряжением, которое может возникнуть на конденсаторе в данном применении при наихудшем сочетании всех параметров. Однако требования оптимизации экономических характеристик преобразовательного оборудования подталкивают разработчиков электроприводов к максимально возможному уменьшению запасов по напряжению высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов. Для того чтобы это не приводило к чрезмерному риску, инженеры должны располагать как характеристиками условий конкретного применения конденсатора в оборудовании, так и параметрами его реальной стойкости к прикладываемому напряжению (в продолжительном режиме, приемлемые повторяющиеся и неповторяющиеся перенапряжения).

Стремясь помочь инженерам, проектирующим силовое преобразовательное оборудование, в вопросе выбора оптимальных высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов, сотрудники Evox Rifa подробно изучили и нормировали соответствующие характеристики этих компонентов. Цель настоящей статьи — дать понимание поведения алюминиевых электролитических конденсаторов, работающих «на пределе возможного», при приложении к ним различных уровней напряжения смещения, близких к номинальной величине и превышающих ее. Также в статье представлены некоторые экспериментальные подходы и методы испытаний, применяемые в Evox Rifa для исследования способности высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов выдерживать приложенное к ним напряжение с учетом различных дополнительных условий.

 

Конструкция алюминиевого электролитического конденсатора

В общем случае алюминиевый электролитический конденсатор с жидким электролитом состоит из свернутых в цилиндр двух лент фольги, разделенных между собой бумажными прокладками, смоченными жидким электролитом на основе различных органических растворителей (рис. 1). Для увеличения площади эффективной поверхности анодная и катодная фольга выполнена из протравленного алюминия. Анодная фольга электрохимически оксидирована (сформована) до напряжения на 30–40% выше номинального напряжения конденсатора, образуя на поверхности тонкую пленку диэлектрика — оксида алюминия. Катодная фольга, напротив, оксидирована всего до нескольких вольт, независимо от величины номинального напряжения алюминиевого электролитического конденсатора. Ленты анодной и катодной фольги соединены с алюминиевыми токоотводами, которые выходят из зоны обмоток и присоединяются к внешним выводам конденсатора. Токоотводы не подвергаются травлению, но тоже покрыты пленкой оксида, полученной электрохимическим оксидированием. Внешние выводы алюминиевого электролитического конденсатора залиты в пластмассовую покрышку. Пропитанная электролитом обмотка (конденсаторный элемент) размещается в алюминиевом стакане — корпусе конденсатора — и уплотняется. В покрышке имеется небольшое отверстие с резиновым уплотнением, служащее предохранительным клапаном при чрезмерном повышении внутреннего давления конденсатора.

Конструкция типичного алюминиевого электролитического конденсатора с резьбовыми выводами, изготавливаемого Evox Rifa

Рис. 1. Конструкция типичного алюминиевого электролитического конденсатора с резьбовыми выводами, изготавливаемого Evox Rifa

 

Приложение напряжения обратной полярности

Алюминиевые электролитические конденсаторы обычно производятся на определенную, фиксированную полярность прикладываемого к ним напряжения и не могут нормально работать при обратной полярности. Подача напряжения в обратной полярности означает, что в качестве диэлектрика должна работать пленка оксида на катодной фольге взамен пленки на анодной фольге. Учитывая, что пленка оксида на катодной фольге значительно тоньше, в режиме обратной полярности напряжения она способна функционировать как диэлектрик только до нескольких вольт (1–3 В). При обратных напряжениях с величинами больше указанных начинается электрохимическая реакция оксидирования катодной фольги. Протекание такой реакции означает, что:

  • весь доступный схемный ток протекает через этот конденсатор (он теряет блокирующую способность);
  • в зависимости от величины протекающего тока в течение достаточно короткого времени генерируется аномально большое количество тепла;
  • на оригинальной анодной фольге выделяется водород.

В зависимости от величины тока и продолжительности времени подачи на алюминиевый электролитический конденсатор напряжения обратной полярности может сработать предохранительный клапан, а в особо тяжелых случаях чрезмерное тепловыделение способно вызвать возгорание конденсатора. Однако напряжение обратной полярности в пределах 1–3 В адекватно блокирующим способностям оксидного слоя на катодной фольге. Соответственно, оно, как правило, не вызывает каких-либо проблем. График в правой части рис. 2 показывает, что обратный ток, протекающий через алюминиевый электролитический конденсатор, не изменяется сколько-нибудь существенно, пока величина обратного напряжения не превысит 3 В.

Функционирование алюминиевого электролитического конденсатора при подаче напряжения обратной полярности

Рис. 2. Функционирование алюминиевого электролитического конденсатора при подаче напряжения обратной полярности

 

Перенапряжение. Часть 1: длительное воздействие перенапряжения

При увеличении напряжения, прикладываемого к алюминиевому электролитическому конденсатору, его внутренние части подвергаются воздействию все возрастающей напряженности электрического поля. Если напряженность поля достаточно велика, может происходить перенос электрического заряда через слой диэлектрика. Этот единичный разряд способен усиливаться подобно лавине, вызывая так называемый частичный разряд конденсатора. Указанное явление известно как «искрение» из-за его характерного звукового проявления. Если эти частичные разряды — при уровне напряжения, типичном для условий данного применения алюминиевого электролитического конденсатора, — следуют слишком часто или имеют достаточно большую величину, то приводят к полному пробою диэлектрика и катастрофическому отказу компонента. Термин «катастрофический отказ» относится к такому состоянию конденсатора, когда можно видеть физические признаки повреждения его внутренних частей.

Определение процедуры испытаний

Вследствие деликатной природы частичных разрядов в начальной области их проявления был сконструирован уникальный детектор для выявления и изучения этого феномена. Он захватывает «тонкие» просадки напряжения на конденсаторе микровольтного уровня (при искрении ниже звукового порога обнаружения) с временным разрешением, соответствующим одиночным или незначительно усиленным лавиной частичным разрядам. Он также захватывает малые колебания напряжения на конденсаторе с разрешением по времени порядка наносекунд, которые характеризуют происходящие лавинные пробои. Схематично это показано на рис. 3.

Принцип работы детектора «искрения»

Рис. 3. Принцип работы детектора «искрения»

Разряды могут возникать на выводах алюминиевого электролитического конденсатора, токоотводах, анодной и катодной фольге и его алюминиевом корпусе при условии, что все они смочены электролитом. Вследствие ряда теоретических предпосылок и практических соображений было решено выбрать токоотводы для детального изучения проявления частичных разрядов в алюминиевых электролитических конденсаторах. Токоотводы были помещены в термостатированный сосуд с электролитом и поляризованы (отформованы) при постоянной плотности тока 333 мкА/см2.

Результаты испытаний

На рис. 4 показана типичная зависимость частоты возникновения частичных разрядов (количество импульсов в минуту) от приложенного напряжения для определенной конструкции алюминиевого электролитического конденсатора Evox Rifa. Измерения проводятся параллельно для двух одинаковых образцов конденсаторов. Они показывают, что количество разрядов, или «искр», в единицу времени увеличивается экспоненциально после превышения порога напряжения.

Типичные характеристики частоты разрядов от прикладываемого напряжения (вблизи номинальной величины и выше ее) для вновь изготовленных электролитических конденсаторов, спроектированных на 450 В

Рис. 4. Типичные характеристики частоты разрядов от прикладываемого напряжения (вблизи номинальной величины и выше ее) для вновь изготовленных электролитических конденсаторов, спроектированных на 450 В

Верхняя граница области безопасной работы, или так называемое напряжение начала искрения, была установлена на уровне, соответствующем возникновению десяти разрядов в минуту. Это определение дает несколько меньшую величину граничного напряжения, чем общепринятый и широко используемый критерий появления заметного акустического сигнала «искрения», который соответствует частоте разрядов порядка 20–30 импульсов в минуту.

Вышеописанные измерения были расширены для более подробного изучения следующих вопросов:

  • Каким образом (позитивно или негативно) влияют на область безопасной работы конструктивные параметры алюминиевого электролитического конденсатора и условия его применения?
  • Как обстоят дела с этим феноменом у высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов других производителей?
  • Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.
Таблица. Сравнительные измерения граничного напряжения начала искрения на высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторах различных производителей при нормальных условиях окружающей среды

Производитель

Европейский

Азиатский

Evox Rifa

Европейский
№ 1

Европейский
№ 2

Evox Rifa

Номинальное
напряжение, В

450

450

450

500

500

500

Граничное
напряжение, В

447

440

460

533

535

545

Примечание. Величины граничных напряжений, измеренные в соответствии с рассматриваемой в настоящей работе методикой, как правило, на 10–20 В меньше, чем при измерениях традиционным способом — по появлению акустической заметности «искрения».

Кроме того, мы наблюдали, например, что повышенные температуры оказывали значительное негативное влияние на граничное напряжение области безопасной работы, что демонстрирует рис. 5 для двух различных типов токоотводов, предназначенных для алюминиевых электролитических конденсаторов на номинальное напряжение 450 и 500 В соответственно.

Влияние температуры на поведение различных типов токоотводов

Рис. 5. Влияние температуры на поведение различных типов токоотводов

Как видно на рис. 5, токоотвод «Тип 2» с данным электролитом может быть использован для алюминиевых электролитических конденсаторов на номинальное напряжение 500 В, применение токоотвода «Тип 1» ограничено конденсаторами с номинальным напряжением до 450 В с тем же самым электролитом.

Из вышеописанных экспериментов можно сделать важные выводы для инженеров, проектирующих устройства силовой электроники:

Имеется резко выраженный предел напряжения, который нельзя превышать для продолжительной надежной работы алюминиевых электролитических конденсаторов. Соответственно, запас по напряжению всего на несколько вольт может улучшить надежность на порядки. И наоборот.

Спецификации на перенапряжения, такие как повторяющиеся кратковременные перенапряжения (surge voltage), неповторяющиеся переходные перенапряжения (transient voltage) и так далее, следует рассматривать с четким пониманием высокого риска, поскольку алюминиевый электролитический конденсатор используется в этих режимах на пределе своих возможностей. Таким образом, чтобы найти подходящий компонент, требуются точные знания параметров, со стороны как разработчиков преобразовательного оборудования, так и производителей высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов.

Продолжение следует

Литература
  1. Гуревич В. Электролитические конденсаторы: особенности конструкции и проблемы выбора // Компоненты и технологии. 2012. № 5.
  2. Радюшкин О. Методы оценки срока эксплуатации электролитических конденсаторов // Силовая электроника. № 5.
  3. Klug O., Bellavia A. High voltage aluminum electrolytic capacitors: where is the limit? // Evox Rifa 2001.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *