淺談鋁電解電容器在線狀態(tài)監(jiān)測方法

姚建勇

（中車四方車輛有限公司，山東 青島 266000）

現代電力電子電路廣泛應用于工業(yè)、軍事、航空航天等領域，這就伴隨著電解電容器應用越來越廣，但一些嚴重缺陷將會影響整個電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，本文提出了一種簡單有效且低成本的測量ESR 的實驗方法，在參數退化的基礎上分析了電解電容器的損壞條件，能通過短信使用GSM 技術連續(xù)撥打電話，通過SIM300 調制解調器發(fā)送AT 命令在移動設備上通知操作員電容器壽命終止。本方法基于低成本智能壽命評估技術，避免了阻抗分析儀、熱數據分析儀以及加速老化測試試驗臺等昂貴儀器的使用。

1 電解電容器等效電路和參數退化

在電解電容器的等效模型中，等效為一個電容與ESR 串聯的電路，并且ESR 值的變化比電容的變化更主要。ESR 值的變化和電流紋波直接相關。在電解電容器老化過程中，ESR 值的不斷增加，其關系式為：

式中，ESR 是電容器實時ESR 值，ESR0是ESR 初始值，VO是電解液初始量，V 是電解液的實時量。

電解電容器老化過程伴隨著內部電阻ESR 的增大和電容量的減小。當ESR 值增大到初始值的2 倍或者電容量減小到初始值的20%時可認為該電容器已經損壞，可以看出，ESR變化更為明顯。因此，本研究集中在計算ESR 值的變化量來監(jiān)測電容器健康狀態(tài)的方法。本文搭建了實驗平臺用來測試不同電容器隨頻率變化的ESR 值。

本文采用阻抗分析儀AGILENT4294 在不同頻率下測試了8 只10/450V，額定工作溫度105℃的紅寶石BXA 系列電解電容器，驗證了上述結論。圖1 顯示10/450V，105℃紅寶石BXA 系列電容器ESR 和阻抗Z 均值隨頻率的變化曲線?？梢钥闯?，高頻時阻抗Z 可以近視看作ESR 值。

圖1 和ESR 和頻率的關系

2 測試平臺和實驗結果

圖2 為微控制器在線測試平臺拓撲，基于微控制器通過選擇不同的頻率庫提供不同頻率的開關脈沖。

圖2 微控制器在線測試平臺拓撲

隔離的脈沖信號驅動DC/DC 變換電路的MOS 管，這樣就能得到不同頻率下8 只電解電容器阻抗Z 和ESR 值的平均值。同時，通過阻抗分析儀測試8 只電解電容器在相應頻率下阻抗Z 和ESR 值的平均值，表1 為測試結果。

表1 AGILENT4292 阻抗分析儀Z 值隨 頻率關系的比較

圖3 是本文搭建的測試電路，為BUCK 電路，其工作頻率為10kHz，運行溫度依次控制為45℃，55℃，65℃，75℃，85℃，95℃，105℃，ESR 與溫度的關系可通過在上述的溫度點ESR 測試值得到。

圖3 測試電路

表2 是加速老化測試之前8 只電解電容器ESR 初始值的均值。通過MATLAB 軟件的擬合工具對ESR 初始值進行擬合，得到ESR 初始值和溫度的函數關系。圖4 是擬合結果。擬合函數方程為（95%置信度），其中a=3.346，b=-0.004303。即ESR 和溫度的關系為：

公式兩邊取對數，則可以得到：

表2 10kHz 時不同溫度下的ESR 初始值

圖4 ESR 值和溫度的擬合結果

表3 G.LUXON 電容器加速老化測試結果

通過在頻率較高時測試得到的電容器阻抗值，就能得到在特定工作溫度下的電容器健康狀態(tài)。通過在最高工作溫度105℃，10kHz 頻率的環(huán)境下對電容器進行加速老化，老化過程中，ESR 不斷增大，直到初始值的2 倍大即認為損壞。在加速老化測試前，8 只電容器的ESR 初始值均值為2.12Ω，表3 為老化處理的結果。

從上述結果可看出，大部門樣品在加速老化處理的2 個小時左右損壞。因此，有必要在線監(jiān)測電容器的健康狀態(tài)。為了通知用戶在在線測試電路中電解電容器的健康狀態(tài)，本文方法在微處理器和用戶移動設備之間設置了全雙工傳輸方式，當ESR 增加到初始值的175%時，微處理器使用AT 指令向用戶發(fā)送SMS 文檔。

3 結語

本文提出了一種簡單而低成本的能夠在線或者離線狀態(tài)下監(jiān)測電解電容器老化過程中健康狀態(tài)的方法。在BUCK 電路中，分析了電解電容器在老化過程中ESR 的變化。本文在低成本的實驗平臺上獲得了ESR 和溫度的函數關系，并測得了電解電容器的壽命關系。電容器ESR 值近似和阻抗相等并在LCD 上顯示，通過終端應用程序保存為文本文件。當ESR值增加到初始值的175%時，微控制器向用戶移動設備用AT指令發(fā)送SMS 文本消息。