基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置及方法，所述装置包括高压直流电源、CLLC谐振型双向DC/DC变换器、控制器、恒温恒湿试验箱、电子负载及在线监测设备。本发明公开的加速寿命试验方法充分考虑了实际工况下外部应力的变化对电容寿命的影响，通过CLLC谐振型双向DC/DC变换器，模拟了电容实际运行的电应力；通过可编程式恒温恒湿试验箱，模拟了电容实际运行的环境剖面；通过电子负载模拟了电容实际运行的负荷剖面，通过改变过应力系数进一步研究不同应力变化的影响程度。本发明解决了因传统加速寿命试验运行工况脱离实际，导致寿命预测结果与实际寿命差距较大的问题，为提高电力电子变换器的可靠性提供了参考。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子器件可靠性领域，涉及电容器寿命试验，具体是一种基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置及方法。

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，因此，研究人员分析其失效模式与失效机理，构建了基于失效物理的传统恒应力寿命模型(H.Wang and F.Blaabjerg,"Reliability of Capacitors for DC-LinkApplications in Power Electronic Converters—An Overview,"in IEEETransactions on Industry Applications,vol.50,no.5,pp.3569-3578,Sept.-Oct.2014.)。并用传统加速寿命模型予以验证。

式中：L和L

传统的加速寿命试验主要分为两类：

第一类是恒应力加速寿命试验(CSALT)，将试件分为若干组，每组在一种恒定应力水平下进行寿命试验。为了达到加速失效、缩短试验时间的目的，要求各组寿命试验的应力都高于正常工作条件下的应力。

第二类是步进应力加速寿命试验(SSALT)，这种方法随时间分阶段改变受试试件承受的应力，应力水平由低到高逐级增加，直到试件出现失效。步进应力法的优点在于这种加速试验方式降低了对试样数量的要求，且具有比恒定应力法更高的加速效率。

然而，根据电力企业的反馈，金属化膜电容器的实际寿命与传统寿命模型预测的寿命不符。主要原因在于：传统寿命模型的参数由恒应力加速寿命试验得到，可以用于恒应力工况下的寿命预测，而实际的运行工况往往是变应力工况；传统的寿命模型未考虑电容长时间运行下的老化问题，而实际运行中老化会导致电容容值下降，ESR增加，因此预测结果并不理想。

近年来，文献中提出了一些基于任务剖面和老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法(D.Zhou,H.Wang and F.Blaabjerg,"Mission Profile Based System-LevelReliability Analysis of DC/DC Converters for a Backup Power Application,"inIEEE Transactions on Power Electronics,vol.33,no.9,pp.8030-8039,Sept.2018.)，但都缺乏相应的基于任务剖面的加速寿命试验予以验证。因此，需要一种灵活可靠的试验装置及方法，在保证效率的前提下，可以准确地模拟金属化膜电容器在实际工况下的老化失效。

发明内容

为解决传统加速寿命试验工况与实际工况不符，导致寿命预测结果脱离实际的问题；本发明提出一种基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置，包括：高压直流电源、CLLC谐振型双向DC/DC变换器、控制器、恒温恒湿试验箱、电子负载及在线监测设备；所述高压直流电源、CLLC谐振型双向DC/DC变换器及电子负载并联，所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器设置在所述恒温恒湿试验箱内，所述控制器与CLLC谐振型双向DC/DC变换器连接；所述在线监测设备设置在CLLC谐振型双向DC/DC变换器的两端；

所述高压直流电源，用于向所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器提供高压直流电压；

所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器包括原边待测DC-link电容C

所述全桥模块包括四个IGBT；

所述控制器，用于生成控制信号，控制CLLC谐振型双向DC/DC变换器内的开关管关断；

所述恒温恒湿试验箱，用于控制金属化膜电容器的环境温度与湿度；

所述电子负载，用于生成与实际工况相符或等比例过载的负荷；

所述在线监测设备，用于实时监测并记录金属化膜电容两端的电压、流过待测DC-link电容的纹波电流。

进一步的，根据CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际运行过程中的工作环境记录，恒温恒湿试验箱生成所需的环境温度与湿度的任务剖面。

进一步的，根据CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际运行过程中的工况记录，电子负载生成所需的工况剖面。

进一步的，基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置在线监测设备根据监测的电容电压和电流，计算得到待测金属化膜电容器ESR的老化情况，与老化模型的预测结果对比；待测金属化膜电容器ESR的老化情况根据下式得到：

式中：ESR(t)为t时刻被测电容的等效串联电阻，ESR(0)为0时刻被测电容的等效串联电阻，U和U

基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置的试验方法，在加速寿命试验中引入任务剖面测试，使待测金属化膜电容在过应力的任务剖面下运行直至失效；记录失效时间，进行统计分析；

具体包括以下步骤：

步骤1：进行时变的温度应力试验、时变的湿度应力试验和时变的电流应力试验；1)时变的温度应力试验：利用恒温恒湿试验箱，根据不同地区环境温度的记录，利用加速寿命试验模型构建不同的地区的过应力温度剖面，然后将实验环境设定为在过应力温度剖面，进行加速寿命实验，记录失效时间；

2)时变的湿度应力试验；利用恒温恒湿试验箱，根据不同地区环境湿度的记录，利用加速寿命试验模型构建不同的地区的过应力湿度剖面，将实验环境设定为在过应力湿度剖面，进行加速寿命实验，记录失效时间；

3)时变的电流应力试验：利用电子负载，根据实际工程中工况的记录，利用加速寿命试验模型构建不同应用实例的过载工况，将实验环境设定为在过载工况，进行加速寿命实验，记录失效时间；

步骤2：失效数据分析：即被测试电容的失效时间进行威布尔分析，得到给定工况下的累计失效概率分布曲线和威布尔失效时间；

步骤3：根据步骤2得到的累计失效概率分布曲线和威布尔失效时间进行金属化膜电容器寿命预测模型参数修正，所述寿命预测模型包括恒应力寿命模型和老化模型。

进一步的，步骤1中，加速寿命试验模型为；

S

式中，S

进一步的，步骤3中，寿命预测模型为

式中：L和L

所述步骤3中，老化模型为

式中：RH和RH

进一步的，进行金属化膜电容器寿命预测模型参数修正的过程为：

将加速寿命试验的工况带入恒应力寿命模型和老化模型，将得到的预期寿命与步骤2计算得到的威布尔失效时间进行对比分析，若二者相对误差达到5％以上，则根据所得威布尔失效时间修正电压参数n、温度参数α、湿度参数m和影响因子a、b和c；修正方法为，构建威布尔失效时间和试验工况的对应数据表，然后将数据导入数据分析软件Origin，拟合得到修正后的电压参数n、温度参数α、湿度参数m和影响因子a、b和c。

进一步的，进行时变的温度应力试验、时变的湿度应力试验和时变的电流应力试验至少在不同的任务剖面下做5组，每组至少做5次

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置，可以根据高压直流电压源和控制器，产生与实际运行状态相同或成比例放大的电容电压，同时产生与实际运行状态相同或成比例放大的电容纹波电流；通过可编程式恒温恒湿试验箱，产生与实际运行状态或成比例放大的环境温度与湿度，从而实现对电力电子变压器运行环境的模拟。且该装置可以产生高于电容额定电压的电压以及高于额定纹波电流的电流，让电容器件在过应力条件下加速老化，缩短了实验时间，所以可以提高测试效率在确保测试的准确性的同时提高测试效率。

本发明提出的基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验方法，可以通过改变可编程电子负载的大小灵活地配置测试对应的工况条件，提高了试验的灵活性。

附图说明

图1为本发明基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置的原理图；

图2为本发明基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置中CLLC谐振型双向DC/DC变换器的原理图；

图3为本发明中CLLC谐振型双向DC/DC变换器仿真结果，其中(a)为电容电压，(b)为纹波电流；

图4为本发明中某地的任务剖面，其中(a)为温度剖面，(b)为湿度剖面；

图5为本发明中某配电网的负荷剖面；

图6为本发明基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验方法的流程图；

图7为本发明需要验证的基于任务剖面和老化分析的金属化膜电容器寿命预测方法流程图。

具体实施方式

第一方面，本发明提出一种基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置，包括：高压直流电源，CLLC谐振型双向DC/DC变换器，控制器，可编程式恒温恒湿试验箱，可编程电子负载和在线监测设备。

所述高压直流电源，用于向所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器提供特定的高压直流电压。

所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器包括原边待测DC-link电容C1、副边待测DC-link电容C2、高频变压器、原边全桥模块、副边全桥模块、原边谐振电容和谐振电感、副边谐振电容和谐振电感以及变压器励磁电感。原边待测DC-link电容、副边待测DC-link电容统称为待测DC-link电容。

所述原边全桥模块、副边全桥模块均包括四个IGBT。

所述控制器，用于生成控制信号，控制IGBT的开关，使其工作在软开关状态。

所述可编程式恒温恒湿试验箱，用于控制金属化膜电容器的环境温度与湿度。其中，环境温度与湿度的任务剖面取自CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际运行过程中的工作环境记录。

所述可编程电子负载，用于生成与实际工况相符的负荷，通过改变负荷的大小控制电流。其中，负荷的任务剖面取自CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际运行过程中的工况记录。

所述在线监测设备，用于实时监测并记录待测DC-link电容两端的电压、流过待测DC-link电容的纹波电流；待测DC-link电容两端的电压、流过待测DC-link电容的纹波电流用于计算得到待测DC-link电容ESR的老化情况，老化情况用ESR和被测电容的电容值来体现。

可选的，所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器具备软启动功能，具体用于控制变换器启动阶段，谐振回路内产生的冲击电流。所述软启动策略如下：高频启动，占空比逐渐增加和多模态控制等方法。

可选的，所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器具备能量双向流动功能。

可选的，所述CLLC谐振型双向DC/DC变换器具备过压保护功能。

可选的，所述控制器采用调频控制。

第二方面，本发明提出一种基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验方法，应用第一方面提出的基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置，对其中的待测DC-link电容进行加速寿命试验，加速寿命试验过程中的过应力通过公式(3)计算。

S

式中，S

(1)为分析实际工况中温度的变化对金属化膜电容寿命的影响，利用可编程恒温恒湿试验箱，根据不同地区环境温度的记录，构建不同的地区的过应力温度剖面，具体的：根据具体实验情况，选取过应力系数k

(2)为分析实际工况中湿度的变化对金属化膜电容寿命的影响，利用可编程恒温恒湿试验箱，根据不同地区环境湿度的记录，构建不同的地区的过应力湿度剖面，具体的：据具体实验情况，选取过应力系数k

(3)为分析实际工况中纹波电流的变化对金属化膜电容寿命的影响，利用可编程电子负载，根据实际工程中工况的记录，其中工况包括电压、电流和负荷，构建不同应用实例的过载工况，根据具体实验情况，选取过载系数k

下面结合具体实例对本发明做进一步详细描述：

图1为本发明基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置的原理图，如图1所示，高压直流电源为整个装置供电；CLLC谐振型双向DC/DC变换器提供待测电容实际的运行工况；控制器时刻采集工况信息，工况信息中包括实施输出电压，与参考电压对比，得到偏差，根据偏差大小给定控制信号控制变换器正常工作，输出控制信号控制变换器运行在软开关状态；可编程式恒温恒湿试验箱提供待测电容实际的运行环境；可编程电子负载提供实际的负荷剖面；在线监测装置实时记录待测电容的电压和纹波电流。

本实施例中，所述的高压直流电源负责给整个装置供电，可根据加速寿命试验的应力要求，提供所需的电压应力。

本实施例中，所述的CLLC谐振型双向DC/DC变换器结构如图2所示，负责通过控制可编程电子负载为待测金属化膜电容提供实际的工况。待测电容选用The CornellDubilier(Type947D)。CLLC谐振型双向DC/DC变换器参数及电容参数如表1所示。

表1：CLLC谐振型双向DC/DC变换器与被测试电容的规格

本实施例中，所述的控制器采用调频控制。

利用MATLAB/Simulink仿真，得到被测试的电容的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。

本实施例中，所述的可编程式恒温恒湿试验箱根据CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际运行的环境记录，模拟构建时变的温度湿度剖面。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。

本实施例中，所述的可编程电子负载根据CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际运行的工况记录，模拟构建时变的负荷剖面。某地配电网的年负荷剖面如图5所示。

本实施例中，所述的在线监测设备负责实时监测、记录金属化膜电容器的电压和纹波电流，进而计算得到任意时刻的等效串联电阻(ESR)，可用于分析电容的老化状态。

图6为本发明基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验方法的流程图，所述方法包括如下步骤：

步骤1：时变的温度应力试验

为确定变化的温度剖面对金属化膜电容器失效的影响，选取温度为单一变量。根据某地的年温度记录，本发明提出的试验装置通过可编程式恒温恒湿试验箱模拟实际工况下时变的环境温度。取温度过应力系数k

S

式中，S

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，记录失效时间。为排除试验结果的偶然性和分散性，该试验至少做5组，每组至少5个。

步骤2：时变的湿度应力试验

为确定变化的湿度剖面对金属化膜电容器失效的影响，选取湿度为单一变量。根据某地的年温度记录，本发明提出的试验装置可通过可编程式恒温恒湿试验箱模拟实际工况下时变的环境湿度。取湿度过应力系数k

S

式中，S

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，记录失效时间。为排除试验结果的偶然性和分散性，该试验至少做5组，每组至少5个。

步骤3：时变的电流应力试验

为确定变化的纹波电流对金属化膜电容器失效的影响，选取纹波电流为单一变量。根据某配电网的负荷记录，本发明提出的试验装置可通过可编程电子负载模拟CLLC谐振型双向DC/DC变换器实际工况下的负荷剖面，进而模拟实际工况下时变的纹波电流。取过载系数k

S

式中，S

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，记录失效时间。为排除试验结果的偶然性和分散性，该试验至少做5组，每组至少5个。

步骤4：失效数据分析

对失效数据——即对被测试电容的失效时间进行威布尔分析，得到给定工况下的累计失效概率分布曲线和威布尔失效时间。

步骤5：基于任务剖面和老化分析的金属化膜电容器寿命预测模型参数修正，寿命预测模型包括恒应力寿命模型和老化模型。

图7为基于任务剖面和老化分析的金属化膜电容器寿命预测流程图。

首先，确定电容的实际工况，获取任务剖面包括电容电压U

其中改进的恒应力寿命模型为

式中：L和L

老化模型为

式中：ESR(t)为t时刻，被测电容的等效串联电阻，ESR(0)为0时刻，被测电容的等效串联电阻，RH和RH

模型中的电压参数n、温度参数α、湿度参数m和影响因子a、b和c均取自传统的加速寿命试验，带入实际工况得到的预期寿命可能并不准确。因此，将加速寿命试验的工况带入恒应力寿命模型和老化模型，将得到的预期寿命与步骤四计算得到的威布尔失效时间进行对比分析，若二者相对误差达到5％以上，则根据所得威布尔失效时间修正电压参数n、温度参数α、湿度参数m和影响因子a、b和c。具体方法为，构建威布尔失效时间和试验工况(包括电电容电压U

本发明提出了基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置及方法，充分考虑了实际工况下外部应力的变化对电容寿命的影响，通过CLLC谐振型双向DC/DC变换器，模拟了电容实际运行的电应力；通过可编程式恒温恒湿试验箱，模拟了电容实际运行的环境剖面；通过可编程电子负载，模拟了电容实际运行的负荷剖面。因此，本发明解决了因传统加速寿命试验运行工况脱离实际，导致寿命预测结果与实际寿命差距较大的问题。

本发明适用于任何工况下，金属化膜电容的加速寿命试验。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加速寿命试验，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。