Моделирование срока службы конденсаторов PFN в импульсном разряде с использованием распределения Вейбулла

Моделирование срока службы конденсаторов PFN в импульсном разряде с использованием распределения Вейбулла

Резюме

Данные о сроке службы коммерческих высоковольтных конденсаторов получены в результате испытаний переменным и постоянным током, а импульсные измерения не дают никаких результатов. Конденсатор PFN заряжается до 95% от своего номинального значения и разряжается сотнями ампер за 3 мкс, поэтому для него необходима отдельная модель. В этой статье данные импульсных испытаний высоковольтных конденсаторов HVC N4700 аппроксимируются кривой Вейбулла, приводятся значения β и η, а также показано, как снижение номинальных характеристик из-за напряжения и нагрева влияет на эти значения.

1. Введение

Конденсатор PFN не испытывает такой нагрузки, как фильтрующий конденсатор. Он заряжается до 95% или 100% от номинального значения, а затем за 3 мкс выдает сотни ампер тока в нагрузку. На фронте импульса наблюдается быстрый спад тока, и компонент одновременно подвергается электрической, тепловой и механической нагрузке.

В технических характеристиках поставщиков этот случай редко описывается. В них указывается номинальное напряжение при номинальной частоте, испытание на постоянный ток в течение 1000 часов при температуре 85 °C и эмпирическое количество импульсов. В результате у проектной группы нет возможности сравнить две детали или установить интервал замены.

Аппроксимация распределением Вейбулла устраняет этот пробел. Она преобразует разброс данных о сбоях импульсных систем в два числа: параметр формы, определяющий режим отказа, и параметр масштаба, определяющий срок службы при 63% отказов. Оба параметра получены из измеренных данных.

В этой статье описывается форма модели, лежащие в её основе данные HVC N4700, коэффициенты снижения мощности, четыре проблемы, возникающие в полевых условиях, и этапы разработки плана технического обслуживания.

2. Основной механизм

2.1 Трехпараметрическая форма распределения Вейбулла

Кумулятивная вероятность отказа импульсного конденсатора подчиняется кривой Вейбулла:

F(t) = 1 − exp(−((t − γ) / η)^β)

где F(t) — доля деталей, вышедших из строя к моменту импульсного события t, β — параметр формы, η — параметр масштаба или характерный срок службы, а γ — параметр местоположения, отмечающий самый ранний возможный отказ.

В таком случае, надежность следует напрямую:

R(t) = exp(−((t − γ) / η)^β)

где R(t) — доля компонентов, все еще работающих при количестве импульсов t. Для конденсатора PFN параметр положения γ стремится к нулю, поскольку у компонента нет минимального гарантированного срока службы, и форма сводится к двум параметрам.

2.2 Что означает параметр формы β

Параметр β обозначает тип отказа. Значение меньше 1 указывает на снижение частоты отказов из-за дефектов процесса. Значение 1 указывает на случайную частоту отказов. Значение от 1 до 3 указывает на медленный износ, а значение 3 или более — на быстрый износ из-за пробоя диэлектрика.

Детали HVC N4700 имеют значение β = 2.83 при 100% номинального напряжения и 85 °C. Это значение находится в диапазоне медленного износа, что означает, что диэлектрик стареет с постоянной скоростью и не трескается. Любая партия, значение β которой ниже 1, имеет производственный дефект, поэтому решение заключается в ступенчатой ​​проверке, а не в снижении номинальных характеристик.

2.3 Закон напряжения в 15-й степени

В Национальных лабораториях Сандиа измерили скорость старения импульсных конденсаторов в ходе множества ускоренных испытаний. Скорость старения пропорциональна 15-й степени напряжения заряда, поэтому срок службы обратно пропорционален:

L(V) = L_ref · (V_ref / V)^15

где L(V) — срок службы при напряжении заряда V, L_ref — срок службы при опорном напряжении, а показатель степени 15 — измеренный коэффициент напряжения. Коэффициент крутой: 90% от номинального напряжения дает 3.86-кратное увеличение срока службы, 80% — 10.7-кратное, а 70% — 32.8-кратное.

2.4 Тепло и член Аррениуса

Тепло поступает через уравнение Аррениуса. Характерный срок службы при любом напряжении и температуре равен:

η(V, T) = η_ref · (V_ref / V)^15 · exp[(E_a / k) · (1/T − 1/T_ref)]

где η_ref — измеренное время жизни в контрольной точке, E_a — энергия активации 0.85 эВ для диэлектрика N4700, k — постоянная Больцмана 8.617×10⁻⁵ эВ/К, а T — абсолютная температура. Также работает эмпирический метод: каждые 10 °C дополнительного тепла уменьшают время жизни вдвое.

Рис. 1 — Напряжение зарядки определяет срок службы по закону 15-й степени, поэтому 70% от номинального значения дает увеличение в 32.8 раза, а более холодный шкаф на 20 °C добавляет еще 10 раз.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: В таблице данных по пульсу отсутствуют статистические данные.

В техническом описании указано «более 10⁹ импульсов», и на этом всё. В этом числе нет информации о размере выборки, разбросе и определении причины отказа. Команда разработчиков не может определить, соответствует ли этот показатель 1 из 10 или 1 из 10 000, поэтому план по обеспечению запасными частями не имеет под собой оснований.

Проблема 2: Тест постоянного тока не выявляет режимы отказа импульса.

Испытание на долговечность при постоянном токе вызывает старение диэлектрика, рост утечки и частичный разряд. Импульсный конденсатор добавляет механическую усталость на границе зерен керамики, термическую усталость в месте соединения выводов и поверхностную абляцию на краю электрода. Четыре из семи видов отказов в полевых условиях никогда не проявляются при испытании на постоянном токе.

Проблема №3: ​​Нагрев до 45 °C отнимает большую часть жизни

Коэффициент ресурса конденсатора N4700 снижается с 1.0 при 25 °C до 0.18 при 45 °C, что составляет потерю 82%. Корпус, работающий при температуре на 20 °C выше расчетной, теряет от 5.5 до 10 раз больше ресурса, который был получен за счет снижения напряжения. Кондиционирование воздуха в отсеке конденсаторов часто обходится дешевле, чем установка более крупного конденсаторного блока.

Проблема 4: Партийное распространение сдвигов β и η

Различия в КПД двух производственных партий могут составлять ±20% на одном и том же этапе проверки. План замены, основанный на номере одной партии, может оказаться неэффективным при следующей поставке. Отслеживайте емкость и сопротивление IR каждой партии в процессе эксплуатации и перестраивайте кривую, когда данные это позволяют.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Провести ускоренное испытание при трех напряжениях.

Зарядите образец из 120 штук при напряжении 70%, 80% и 100% от номинального, при температуре 85 °C и частоте 200 Гц. В качестве точки отказа используйте изменение емкости на 5% или сопротивление IR ниже 10¹⁰ Ом. Три уровня нагрузки позволяют отделить фактор напряжения от фактора нагрева. Измерьте импульсный ток с помощью... резистор выборки HVRGXP на обратном пути.

Стратегия 2: Подогнать β и η по количеству импульсов.

Возьмите количество импульсов отказа для каждого образца и аппроксимируйте их двухпараметрической кривой Вейбулла. Аппроксимация с помощью HVC N4700 дает β = 2.83 и η при 8.21×10⁷ импульсах при 100% номинальном напряжении и 85 °C. Перед использованием полученных данных проверьте соответствие аппроксимации доверительным интервалам.

Стратегия 3: Установите напряжение зарядки на уровне 70–80%.

Снижение мощности на третьем уровне до 70% увеличивает срок службы в 32.8 раза, а снижение на втором уровне до 80% — в 10.7 раза. Начните с 80% для стандартного линейного ускорителя и перейдите к 70% для машины UHDR с частотой 400 Гц. В этом случае источнику питания потребуется более высокое напряжение, соответствующее требованиям.

Стратегия 4: Включите срок службы витамина B10 в план технического обслуживания.

Показатель срока службы B10 обозначает точку, где выходит из строя 1 из 10 деталей:

B10 = η · (−ln(0.9))^(1/β)

где B10 — 10%-ный ресурс до отказа, η — характерный ресурс, а β — параметр формы. При β = 2.83 и η при 10⁹ импульсах результат составляет 5.08×10⁸ импульсов, поэтому замена происходит задолго до достижения предела износа.

Стратегия 5: Замена через половину срока службы.

План с фиксированным интервалом заменяет блок на уровне η/2, что предотвращает быстрый износ устройства. При 100% номинального напряжения это означает каждые 4×10⁷ импульсов, при 80% — каждые 4.4×10⁸ импульсов, а при 70% — каждые 1.3×10⁹ импульсов. Проверки состояния каждые 10⁷ импульсов позволяют выявить дрейф на ранней стадии.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Детали HVC для модели PFN с регулируемым сроком службы импульса

Для моделирования характеристик устройства необходимы два параметра: низкие потери на фронте импульса и стабильная емкость при изменении температуры и напряжения. HVC-модели N4700 Комплектующие класса I для обоих типов оборудования производятся на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и охватывают диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Банку также необходима подъездная дорога для сброса отходов. Высоковольтная дорога. быстровосстанавливающийся диод При времени 30 нс и напряжении 20 кВ этот путь замыкается, а заряд восстановления в 220 нКл позволяет разрядить аккумуляторную батарею между импульсами.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Параметр формы β равен 2.8. Измеренные импульсные данные за более чем 10⁵ циклов показывают, что деталь находится в диапазоне медленного износа, поэтому разброс отказов остается предсказуемым, а показатель срока службы B10 имеет значение.
• ЭПР менее 50 мОм на частоте 1 МГц. Низкие потери снижают самонагрев, и каждые 10 °C дополнительного тепла сокращают срок службы вдвое.
• Стабильность емкости составляет ±30 ppm/°C. Напряжение заряда остается на заданном уровне в диапазоне температур корпуса, поэтому коэффициент снижения характеристик сохраняет свое значение.
• Частичный разряд составляет менее 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Низкий уровень частичного разряда ограничивает повреждение диэлектрика при импульсной последовательности частотой 200 Гц, поэтому скорость старения остается на измеренной кривой.
• Координированные компоненты. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G, толстопленочные резисторы HVR-BSPДиоды HVD можно заказать в виде одного комплекта для PFN, цепи зарядки и переключателя сброса.
• Данные перекрестной проверки. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и данным о надежности. Vishay а также детали TDK, и сравнение ресурса импульсов поставляется вместе с ценовым предложением.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6-10 недель, в то время как для импортных брендов этот срок обычно составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в разработке ускоренных испытаний, подгонке параметров распределения Вейбулла и определении интервала замены.

Отправьте напряжение заряда, частоту повторения, температуру корпуса и количество импульсов в год. HVC выдаст прогноз срока службы с параметрами β и η, значение B10 и комплект из двух образцов для оценки в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему не следует использовать указанный в техническом описании срок службы?

Он не учитывает размер выборки, определение отказа и разброс. Тест постоянного тока также не выявляет четыре из семи режимов отказов импульсных соединений, включая усталость керамики и усталость соединений выводов. Аппроксимация распределения Вейбулла по измеренным данным импульсных соединений дает β, η и ресурс B10, которые можно использовать в плане технического обслуживания.

В2: Каковы параметры распределения Вейбулла для компонента HVC N4700?

β = 2.83 и η при 8.21×10⁷ импульсах, измеренные при 100% номинального напряжения и 85 °C, при γ, равном нулю. Значение β находится в диапазоне медленного износа, поэтому диэлектрик стареет с постоянной скоростью, а не растрескивается. При β = 2.83 и η при 10⁹ импульсах срок службы B10 составляет 5.08×10⁸ импульсов.

Вопрос 3: На какой срок службы продлевается снижение номинального напряжения?

Скорость старения зависит от пятнадцатой степени напряжения. Зарядное напряжение при 90% от номинального значения увеличивает срок службы в 3.86 раза, при 80% — в 10.7 раза, при 70% — в 32.8 раза, а при 50% — в 15 32,768 раз. Таким образом, источник питания, обеспечивающий достаточную стабильность для достижения 70%, более ценен, чем более крупный аккумуляторный блок.

Вопрос 4: Сколько стоит отопление?

Каждые дополнительные 10 °C тепла сокращают срок службы вдвое. Коэффициент ресурса N4700 падает с 1.0 при 25 °C до 0.18 при 45 °C, что составляет 82% от срока службы. Падение температуры на 20 °C (с 45 °C до 25 °C) компенсирует потери в 5.5–10 раз, поэтому охлаждение корпуса часто окупается.

В5: Когда следует заменять блок PFN?

При достижении половины номинального срока службы, что предотвращает быстрый износ устройства. При 100% номинального напряжения — каждые 4×10⁷ импульсов, при 80% — каждые 4.4×10⁸ импульсов, а при 70% — каждые 1.3×10⁹ импульсов. Проверяйте емкость и сопротивление IR каждые 10⁷ импульсов и заменяйте при изменении емкости на 5%.

В6: Как определить необходимый размер запаса запасных частей?

Исходя из показателя надежности за интервал обслуживания: N_запасов = N_всего · (1 − R(t)). При наличии 100 конденсаторов и целевом показателе одного отказа в течение срока службы B10, надежность должна оставаться выше 0.99, что ограничивает интервал 1.65×10⁸ импульсами. После этого запас должен покрывать скорость износа.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-1, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителейЖенева: МЭК, 2014.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 61709, Электрические компоненты — Надежность — Эталонные условия для частоты отказов и модели напряжений при преобразованииЖенева: МЭК, 2017.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Абернети, РБ, Новый справочник Вейбулла, 5-е изд. Норт-Палм-Бич, Флорида: Роберт Б. Абернети, 2006.
7. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com