Вопросы надежности и срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов.
Часть 2

Все статьи цикла.

Перенапряжение: импульсы различных типов

Алюминиевые электролитические конденсаторы спроектированы для работы с высочайшей надежностью вплоть до номинального напряжения. Однако различные типы кратковременных увеличений напряжения выше номинального едва ли можно исключить при реальном применении. Эти перенапряжения — источник системного риска, однако не обязательно, что они приведут к необратимому ухудшению характеристик алюминиевого электролитического конденсатора. В конденсаторах усовершенствованной конструкции возможные импульсы перенапряжений принимаются во внимание еще на стадии разработки. Затем соответствующие характеристики экспериментально проверяются и специфицируются.

По своим параметрам импульсы перенапряжений имеют множество самых разных вариаций, в зависимости от особенностей того или иного применения, а значит, нереально создавать специальные типы алюминиевых электролитических конденсаторов под нужды каждого конкретного проекта. Вместо этого разработчики предпочитают стандартные методы испытаний таких устройств. Тестирование выполняется различными импульсными воздействиями, чтобы определить способность конденсаторов выдерживать перенапряжения. Преимущество стандартизованных методов испытаний состоит в том, что они позволяют корректно сравнить между собой различные типы конденсаторов и продукцию разных изготовителей. Инженеры Evox Rifa используют три класса испытаний алюминиевых электролитических конденсаторов импульсными перенапряжениями для характеристики своих высоковольтных продуктов. Далее мы рассмотрим эти методы, акцентируя внимание на том, какую полезную информацию они могут дать разработчику силовой электроники.

Повторяющиеся кратковременные перенапряжения

Определение процедуры испытаний для высоковольтных конденсаторов

Напряжение величиной 110% номинального прикладывается между выводами алюминиевого электролитического конденсатора в течение 30 с. Эти импульсы (surge voltage) перемежаются паузами длительностью 330 с в условиях максимально допустимой температуры окружающей среды. Импульсы повторяются 1000 раз. Заряд конденсатора производится достаточно большим током, обеспечивающим подъем напряжения за 100 мс.

Критерии годности после проведения испытаний

Необходимо проверить отсутствие видимых внешних повреждений конденсатора, в том числе утечки электролита. Изменение электрической емкости конденсатора не должно превышать 10%; ток утечки и тангенс угла потерь при частоте 100 Гц не должны выходить за пределы спецификаций для данного типа алюминиевого электролитического конденсатора.

Подходя к этой проблеме с точки зрения конструкции алюминиевого электролитического конденсатора, можно констатировать, что толщина оксидного слоя на анодной фольге и на анодном токоотводе должна быть достаточно большой, чтобы справиться с этими кратковременными перенапряжениями. Однако оксидные пленки на краях деталей все равно недостаточно толстые, поскольку наращиваются во время тренировки уже после сборки конденсатора. Тренировка обычно проводится лишь до номинального напряжения конденсатора или чуть выше него, что меньше уровня surge voltage. Это означает, что при кратковременном перенапряжении ток концентрируется вдоль краев анодной фольги и анодного токоотвода. Кроме того, при увеличении напряжения до 110% номинального конденсатор входит в область режимов работы, где уверенно регистрируются частичные разряды.

Вопрос состоит в том, достаточно ли величины перенапряжения surge voltage и/или его длительности для начала аварийного лавинного пробоя или же конденсатор придет в стабильное состояние после одного-двух импульсов? На рис. 1 показано поведение типичного алюминиевого электролитического конденсатора с номинальным напряжением 550 В производства Evox Rifa. Можно видеть, что в начале испытаний на кратковременные перенапряжения ток утечки имеет высокие значения, затем поведение конденсатора стабилизируется и ток утечки снижается. Хотя до известной степени нет прямой связи между током утечки и частичными разрядами и ниже определенного тока утечки разряды отсутствуют, предполагается, что меньшая величина тока утечки служит признаком снижения риска возникновения частичных разрядов. Также можно заметить дальнейшую стабилизацию поведения алюминиевого электролитического конденсатора по мере увеличения числа поданных импульсов перенапряжения, которая проявляется во все меньших величинах тока утечки и сокращении его вариаций.

Рис. 1. Изменение тока утечки в процессе испытаний алюминиевого электролитического конденсатора импульсами кратковременного напряжения

Неповторяющиеся переходные перенапряжения

Испытания на стойкость к неповторяющимся переходным перенапряжениям (transient voltage) проводятся для симуляции воздействия на алюминиевые электролитические конденсаторы импульсов перенапряжений, возникающих в питающей электросети при коммутациях. Цель данного теста — определить максимальное импульсное перенапряжение, которое конденсатор способен выдержать без повреждения.

Определение процедуры испытаний для высоковольтных конденсаторов

Батарея конденсаторов заряжается до определенной величины напряжения (величины заряда) и затем разряжается на испытуемый высоковольтный алюминиевый электролитический конденсатор. В результате получается короткий, но мощный импульс, прикладываемый к объекту испытаний при нормальной температуре окружающей среды. Если высоковольтный алюминиевый электролитический конденсатор способен поглотить энергию такого импульса без необратимого отказа, то через 30 с подается новый импульс с повышенным еще на 50 В напряжением на батарее конденсаторов. Испытуемый алюминиевый электролитический конденсатор разряжается в промежутке между подаваемыми импульсами примерно в течение 15 мс после каждого импульса. Подача импульсов продолжается до тех пор, пока высоковольтный алюминиевый электролитический конденсатор способен их выдерживать.

Результат испытаний

Первый результат — наибольший измеренный уровень напряжения на тестируемом конденсаторе перед его отказом, характеризующий предельно допустимое неповторяющееся переходное перенапряжение. Дополнительными результатами испытаний являются наибольший ударный ток и отношение максимального поглощаемого испытуемым конденсатором заряда (без отказа) к его номинальному заряду. На рис. 2 даны примеры испытаний, когда алюминиевый электролитический конденсатор способен поглотить импульс без повреждения и когда конденсатор отказывает при воздействии импульса. Осциллограмма на правом рисунке показывает, что это напряжение, в отличие от остающегося напряжения на конденсаторе при успешном опыте, резко падает непосредственно во время импульса.

Рис. 2. Примеры испытаний высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора неповторяющимся переходным перенапряжением (для одного и того же конденсатора):
а) успешного;
б) неуспешного

Импульсы неповторяющегося переходного перенапряжения существенно отличаются от повторяющегося кратковременного перенапряжения, поскольку первые значительно короче по времени (длительность на уровне миллисекунд). Это приводит к очень специфическим условиям внутри конденсатора:

• огромный ток протекает в течение короткого времени;
• мгновенные уровни напряжений на испытуемых конденсаторах могут превышать способность оксидной пленки на анодной фольге или токоотводе выдерживать приложенное напряжение;
• кратковременно после импульса кажущаяся емкость конденсатора может превышать его номинальную емкость;
• алюминиевый электролитический конденсатор может временно накапливать в несколько раз большую энергию, чем в условиях продолжительной работы.

Экспериментальные результаты показывают, что отказы алюминиевых электролитических конденсаторов при испытаниях на неповторяющиеся переходные перенапряжения более вероятно могут быть связаны с высоким ударным током, нежели с напряженностью электрического поля в оксидном слое. Мы предполагаем, что эффект имеет отношение к пространственному распределению ударного тока. Если полный ток через конденсатор достаточно велик и сопротивление электролита не препятствует генерации лавин частичных разрядов, большая часть от полного тока может концентрироваться в отдельных «слабых точках». В результате тепловой и электрический эффекты, обусловленные локальной концентрацией тока, способны привести к повреждению конденсатора.

Если же электролит не может пропускать ток мощных лавинных разрядов, ударный ток через алюминиевый электролитический конденсатор распределяется по большей площади электродов и способен безопасно поглотить энергию импульса. Модификация используемого электролита и других конструктивных параметров конденсатора положительно влияет на пороговую величину ударного тока, при которой возникает критический лавинный пробой. Этим путем можно несколько улучшить стойкость алюминиевого электролитического конденсатора к воздействию неповторяющихся переходных перенапряжений.

Однако понятно, что такие импульсы портят качество оксидной пленки, ведь даже сравнительно небольшие разряды приводят к физическим повреждениям (рис. 3). После того как произошел разряд, на изначально достаточно гладкой поверхности фольгового токоотвода образуется большое количество неровностей, геометрия которых способствует возникновению новых разрядов. Появление все большего числа «слабых точек» при таких импульсах приводит к увеличению риска развития катастрофического лавинного разряда при следующем перенапряжении. Большое количество неровностей, наблюдаемых на правом рисунке, считается результатом действия разрядов.

Рис. 3. Оксидная пленка, подвергшаяся воздействию большого количества частичных разрядов (электромикрографическое (SEM) сканирование областей поверхности фольгового токоотвода, где не было (а) и было (б) воздействие постоянных частичных разрядов)

В то же время представляется, что надежность работы высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора в продолжительном режиме при номинальном напряжении и допустимой температуре не имеет существенной зависимости от количества импульсов перенапряжения, которые он выдержал. Это может быть следствием того, что поврежденный во время импульсного перенапряжения оксидный слой способен просто восстановиться благодаря свойству электролитической системы «самозалечиваться» при номинальном напряжении. Однако в отношении импульсов неповторяющихся переходных перенапряжений, амплитуда которых значительно выше номинального напряжения, подобное самовосстановление невозможно.

Повторяющиеся импульсные перенапряжения

В реальном применении алюминиевые электролитические конденсаторы обычно подвержены воздействию небольших импульсов перенапряжений, но следующих в большом количестве за время работы устройств. Поэтому сама по себе величина максимально допустимого неповторяющегося переходного перенапряжения может не давать достаточной информации для инженера, разрабатывающего устройства силовой электроники, который хочет больше знать о стойкости конденсаторов к перенапряжениям. В этом случае для проектировщика хорошим подспорьем становятся результаты испытаний повторяющимися импульсами перенапряжений (double-load pulsing). Такой тест вызывает меньший стресс испытуемого конденсатора, чем импульс неповторяющегося переходного перенапряжения, но более тщательно проверяет выносливость алюминиевых электролитических конденсаторов к перенапряжениям при их многократном повторении.

Определение процедуры испытаний для высоковольтных конденсаторов

Батарея конденсаторов, заряженная до напряжения, соответствующего двойной величине номинального заряда испытуемого высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора, разряжается на него при комнатной температуре окружающей среды. Через 15 мс после каждого импульса тестируемый конденсатор разряжается. Импульсы повторяются с интервалом 90 с, пока конденсатор не откажет.

Результат испытаний

Первым результатом является количество импульсов, которое алюминиевый электролитический конденсатор данной конструкции способен выдержать без отказа. Хотя в каждом импульсе временная зависимость ударного тока одна и та же, последовательность импульсов вызывает не одинаковый эффект воздействия на конденсатор. Вследствие короткого интервала времени между воздействующими импульсами, конденсатор способен «запоминать» действие предыдущего импульса. Этот феномен можно видеть на рис. 4, демонстрирующем, что поглощаемый конденсатором электрический заряд кумулятивно увеличивается после каждого импульса. В результате после некоторого числа импульсов алюминиевый электролитический конденсатор отказывает.

Рис. 4. Кумулятивный эффект увеличения поглощаемого заряда при испытаниях повторяющимися импульсными перенапряжениями

Заключение

Установки силовой электроники нередко испытывают воздействие сетевых и атмосферных перенапряжений. Компоненты для таких установок следует выбирать с учетом этого феномена.

Алюминиевые электролитические конденсаторы являются особенно чувствительными компонентами в части выхода напряжения за допустимые пределы. Соответственно, подобные устройства необходимо выбирать и применять с особым вниманием, с учетом их способностей выдерживать перенапряжения. Выход напряжения на конденсаторе за пределы номинального значения может вызывать немедленный отказ или необратимое ухудшение характеристик, в зависимости от параметров перенапряжения. Увеличение запасов безопасности всего на несколько вольт — как в отношении длительного напряжения, так и перенапряжений — улучшает надежность высоковольтного алюминиевого электролитического конденсатора на порядок, без чрезмерного увеличения его стоимости.

Изготовители алюминиевых электролитических конденсаторов могут обеспечить проведение четырех видов испытаний и представить соответствующие параметры, характеризующие их поведение за пределами номинального диапазона напряжений: допустимое обратное напряжение, повторяющиеся кратковременные перенапряжения, неповторяющиеся переходные перенапряжения и повторяющиеся импульсные перенапряжения. Каждое из этих испытаний имитирует поведение алюминиевых электролитических конденсаторов при различных условиях воздействий напряжения, происходящих в реальности. С помощью результатов, полученных при этих испытаниях, разработчики установок силовой электроники могут выбрать высоковольтные алюминиевые электролитические конденсаторы, лучше соответствующие особенностям того или иного применения и функционирующие с большей надежностью несмотря на то, что их используют «на пределе возможностей».

Продолжение следует