Metalizuotos plėvelės kondensatoriai yra plačiai naudojami galios elektronikoje, reaktyviosios galios kompensavime, atsinaujinančios energijos sistemose ir pramoninėje automatizacijoje dėl puikios savaiminio{0}}gijimo galimybės, mažų nuostolių ir didelio patikimumo. Tačiau esant atšiaurioms eksploatavimo sąlygoms, pvz., aukštai temperatūrai, drėgmei, viršįtampiui ir mechaniniams įtempiams, jų veikimas palaipsniui blogėja ir galiausiai sugenda.

 

Įprastus metalizuotų plėvelių kondensatorių gedimo mechanizmus galima suskirstyti į keturias kategorijas:elektrocheminė korozija, dielektrikų skilimas, talpos sumažėjimas ir struktūrinis gedimas. Praktikoje šiuos gedimus dažnai lemia daugialypis{1}fizikos sujungimas, susijęs su elektriniu lauku, temperatūra, drėgme ir mechaniniu įtempimu.

 

I, Bendrieji gedimų režimai ir tipinės apraiškos

Metalizuotų plėvelių kondensatorių gedimai dažniausiai susiję ir su elektrinių parametrų anomalijomis, ir su fiziniais konstrukcijos pažeidimais.

 

Nesėkmės režimas	Tipiškas pasireiškimas	Poveikis įrangai
Talpos sumažėjimas	Laipsniškas talpos mažinimas, išliekant vardiniame diapazone iki staigaus gedimo	Sumažėjęs kompensavimo efektyvumas, laiko klaidos, svyravimų nestabilumas
Izoliacijos gedimas	Padidėjusi nuotėkio srovė ir sumažinta izoliacijos varža	Didesni šiluminiai nuostoliai, padidėjusi terminio pabėgimo rizika
Dielektrinis suskirstymas	Dielektrinės plėvelės lydymas ir pradūrimas, formuojant laidžius takus	Trumpojo-jungimo perdegimas ir visiškas įrangos gedimas
Struktūrinis gedimas	Vidiniai lūžiai, lydmetalio jungties atsiskyrimas, pakuotės įtrūkimai	Atviros-grandinės gedimas ir srovės srauto pertraukimas

 

II, Pagrindiniai metalizuotų plėvelių kondensatorių gedimo mechanizmai

1. Elektrocheminė korozija ir drėgmės patekimas

Elektrocheminė korozija yra vienas iš pagrindinių senėjimo mechanizmų kintamosios srovės filtravimo ir galios kompensavimo programose.

 

Kai metalizuoto plėvelės kondensatoriaus sandarumas yra nepakankamas, drėgmė gali prasiskverbti į vidinę struktūrą, sumažindama oro skilimo įtampą ir pagreitindama jonizaciją tarp plėvelės sluoksnių. Šio jonizacijos proceso metu susidaręs ozonas oksiduoja metalizuotus elektrodus (Zn/Al), sudarydamas ne-laidius oksidus, tokius kaip ZnO ir Al2O3. Vykstant oksidacijai efektyvusis elektrodo plotas palaipsniui mažėja, todėl nuolat mažėja talpa.

 

Aplinkoje, kur santykinė oro drėgmė viršija 85 %, metalizuotame sluoksnyje taip pat gali vykti elektrocheminė migracija, formuojant laidžius dendritus, kurie ilgainiui gali sukelti trumpuosius elektrodų jungimus.

 

Sieros{0}}turinčioje arba rūgščių dujų aplinkoje korozijos greitis gali padidėti 3–5 kartus. Gnybtų skardinimo korozija žymiai padidina kontaktinį atsparumą, todėl perkaitimas ir jungties gedimas.

 

Pagrindiniai efektai

• Talpos pablogėjimas
• Sumažintas izoliacijos atsparumas
• Terminalo perkaitimas
• Trumpojo{0}}jungimo rizika

 

2. Elektros įtampa ir pasikartojantys savęs-gydymo praradimai

Viena iš pagrindinių metalizuotų plėvelių kondensatorių savybių yra jų savaiminio-gydymo galimybė. Kai įvyksta vietinis dielektriko gedimas, metalizuotas sluoksnis aplink gedimą greitai išgaruoja, izoliuodamas pažeistą vietą ir leisdamas kondensatoriui toliau normaliai veikti.

Tačiau pasikartojantys savaiminio-gydymo įvykiai palaipsniui išeikvoja efektyvų metalizuoto elektrodo plotą, todėl sumažėja bendra talpa ir susilpnėja įtampos atsparumas.

 

Eksperimentiniai tyrimai rodo, kad:

• Dažna savaime{0}}gyjanti iškrova žymiai pagreitina talpos mažėjimą
• Dielektrinė atsparumo įtampa mažėja kartu su talpos sumažėjimu
• Dėl mažesnės likusios talpos izoliacijos charakteristikos prastesnės

 

3. Viršįtampio poveikis

Viršįtampa yra tiesioginis katastrofiško dielektriko gedimo veiksnys.

 

Kadangi kondensatoriaus galios nuostoliai didėja maždaug kartu su darbinės įtampos kvadratu, ilgalaikis viršįtampio veikimas pagreitina dielektriko senėjimą ir vidinį įkaitimą. Tuo tarpu trumpalaikė viršįtampis, kurį sukelia perjungimo operacijos arba tinklo trikdžiai, gali kelis kartus viršyti vardinę įtampą, tiesiogiai pramušdama dielektrinį sluoksnį.

 

Remiantis IEEE tyrimais:

Kai elektrinio lauko stiprumas pasiekia 10⁶ V/cm, vidinio iškrovimo tikimybė didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai

Kiekvienam 10 laipsnių temperatūros padidėjimui dalinio iškrovimo tikimybė padvigubėja

 

Pagrindiniai efektai

• Pagreitintas savaiminio{0}}gijimo vartojimas
• Padidėjusi vidaus temperatūra
• Dielektrinė punkcija
• Terminis pabėgimas
• Staiga katastrofiška nesėkmė

 

4.Multiphysics Coupling pagreitinto senėjimo mechanizmai

Ekstremaliomis eksploatavimo sąlygomis,metalizuotos plėvelės kondensatoriusgedimus paprastai sukelia sąveika tarp elektrinio lauko, temperatūros, drėgmės ir mechaninio įtempio.

 

4.1. Elektros lauko ir temperatūros jungtis

Aukšta temperatūra sumažina polipropileno (PP) plėvelės dielektrinį stiprumą ir dielektrinę konstantą, todėl vietiškai padidėja elektrinis laukas. Padidėjęs elektrinis laukas dar labiau padidina vidinės galios išsklaidymą ir temperatūrą, sukurdamas teigiamą grįžtamojo ryšio kilpą.

Šis reiškinys sukuria vietines „karštąsias vietas“, kuriose temperatūra gali pakilti iki kelių šimtų laipsnių Celsijaus, galiausiai ištirpdama dielektrinė plėvelė ir sukeldama katastrofišką gedimą.

 

Pasekmės

• Vietinė šiluminė koncentracija
• Dalinis iškrovos intensyvinimas
• Plėvelės tirpimas
• Terminis gedimas

 

4.2. Temperatūros ir mechaninio įtempių jungtis

Aliuminio metalizavimo ir polipropileno dielektrinės plėvelės šiluminio plėtimosi koeficientai labai skiriasi. Temperatūros ciklo metu susidaro didelis sąsajos šlyties įtempis.

 

Įtempių lygis gali siekti iki 50 MPa pakartotinio terminio ciklo sąlygomis. Viršijus medžiagos nuovargio ribą, metalizuotame sluoksnyje susidaro mikroįtrūkimai.

 

Tuo pačiu metu pakilusi temperatūra pagreitėja:

• Metalo difuzija
• Oksidacijos reakcijos
• Aliuminio oksido sluoksnio augimas
• Oksidacijos augimo greitis maždaug trigubai padidėja kas 10 laipsnių temperatūrai padidėjus.

 

Pasekmės

• Metalizacijos įtrūkimai
• Padidėjęs ESR
• Sumažintas elektros laidumas
• Pagreitėjęs senėjimas

 

4.3. Mechaninis įtempių sujungimas

Mechaninis įtempis PCB surinkimo, transportavimo, vibracijos ir montavimo metu taip pat gali labai paveikti kondensatoriaus patikimumą.

PCB lenkimo įtempis, viršijantis 2000 mikroįtempimų, kartu su ilgalaike vibracija ar smūgine apkrova gali sukelti:

• Vidinis plėvelės įtrūkimas
• Litavimo sąnario nuovargis
• Terminalo atskyrimas
• Pakuotės deformacija

 

Šie mechaniniai mikroįtrūkimai taip pat tampa drėgmės patekimo ir korozijos plitimo keliais, dar labiau paspartindami elektrocheminį senėjimą.

 

Pasekmės

• Atviros{0}}grandinės gedimas
• Pertraukiamas elektros kontaktas
• Drėgmės įsiskverbimas
• Sutrumpintas eksploatavimo laikas

 

5. Gamybos ir proceso defektai

Gamybos defektai yra dar vienas svarbus metalizuotų plėvelių kondensatorių ankstyvo gedimo šaltinis.

 

Įprasti procesai{0}}susiję defektai:

• Priemaišos žaliavose
• Netolygus metalizuoto sluoksnio storis
• Smeigtukų defektai dielektrinėje plėvelėje
• Nepilnas vakuuminis džiovinimas ir drėgmės pašalinimas
• Prasta kapsuliavimo kokybė

 

Šie defektai sukuria lokalizuotus elektrinio lauko koncentracijos taškus, todėl eksploatacijos metu labiau tikėtinas dalinis iškrovimas ir dielektrinis gedimas.

Likutinė vidinė drėgmė, patenkanti pakavimo metu, dar labiau pagreitina koroziją ir izoliacijos irimą nuo pradinio eksploatavimo etapo.

 

Pasekmės

Ankstyva{0}} gyvenimo nesėkmė

Lokalizuotas dielektrinis gedimas

Sumažintas patikimumas

Sutrumpintas tarnavimo laikas

 

III, Išvada

Patikimumasmetalizuotos plėvelės kondensatoriaiJam didelę įtaką daro elektrinis įtempis, aplinkos sąlygos, šilumos valdymas, mechaninė apkrova ir gamybos kokybė. Tarp visų gedimo mechanizmų dominuojantys veiksniai, turintys įtakos ilgalaikiam veikimui ir tarnavimo laikui, yra elektrocheminė korozija, pasikartojantis savaiminio -gydymo suvartojimas, dielektrinis skilimas ir daugiafizinis sujungimas.

 

Siekiant pagerinti kondensatoriaus patikimumą ir eksploatavimo trukmę, labai svarbu laikytis šių priemonių:

• Patobulintas sandarinimas ir apsauga nuo drėgmės
• Tinkamas šilumos valdymas ir vėdinimas
• Viršįtampa ir harmonikų slopinimas
• Sumažintas mechaninis įtempis montavimo metu
• Aukštos-kokybės dielektrinės plėvelės gamybos ir kapsuliavimo procesai

 

Naudojant optimizuotą dizainą, medžiagų pasirinkimą ir aplinkos apsaugą, metalizuotų plėvelių kondensatoriai gali žymiai pagerinti stabilumą, saugumą ir eksploatacinį patvarumą šiuolaikinėse galios elektroninėse sistemose.