UPS使用大功率电容器的原理及寿命预期

一．大功率电容器介绍

1.1 UPS为什么需要使用大功率电容器

铝电解电容用于直流滤波作用及保证直流母线电压的稳定，金属化薄膜电容用于交流滤波作用。如果没有电容滤波，UPS系统只能提供劣质的供电质量，无法胜任为要求高可靠性的系统提供优质的交流电源。

铝电解电容容量（能量密度）上比金属化薄膜电容要大，但是铝电解电容只能用于直流电路，金属化薄膜电容既可以用于交流电路，也可以用于直流电路，金属化薄膜电容如果用于直流，则极大增加UPS系统的尺寸和成本。所以主流应用就是铝电解电容用于直流电路，金属化薄膜电容用于交流电路。

在UPS内使用的大功率电容，典型的应用工况就是电容容量要求比较大、使用数量比较多、使用电压等级比较高、存在一定的纹波电流、电容身处环境温度比机柜外高。

 1.2 大功率电容器简介

电容器的原理都相同，由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成，当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷。

不同类型的电容器的内部结构、使用材料和工艺、应用场景有自身的特点和要求。下面就UPS内使用的两种大功率电容器做一个简单介绍。

1.2.1铝电解电容：

铝电解电容器主要原材料是正极箔和电解液，这两种材料是铝电解电容中最重要的原材料，它们决定了电容器的性能及寿命，对材料的纯度、杂质浓度有严格的要求。特别是电解液，它是在液体溶剂中添加了多种化学物质混合而成，每个厂家的电解液配方是保密的。

另外铝电解电容中其它比较重要的原材料如下，对原材料的杂质浓度都有要求：负极箔、引出线(导电条)、电解纸、芯子包封胶带、橡胶塞(密封盖板)、 铝壳。

铝电解电容器的主要特点：

◆铝电解电容器可以做到很大容量，漏电流也相对较大。使用是有极性的，不能有反向耐压。

◆铝电解电容器怕杂质污染，特别是怕Cl－、SO4－、Fe3＋、Cu2＋离子，加工及应用环境中不能含有这些离子的液体或气体。

◆铝电解电容器有自愈特性，工作时电解液会修补绝缘介质的缺陷，同时产生气体。工作过程中，如内部气压过高，防爆阀会动作，释放出气体。

1.2.1金属化薄膜电容：

金膜电容的关键材料是经过蒸镀后的薄膜，选用不同的薄膜决定了电容器的主要性能，主要参数有蒸镀层金属及形状、基膜材质及表面处理、厚度、边缘处理、是否为安全膜等。喷涂金属直接影响电容器的ESR及耐电流冲击能力。

灌封料也是重要的材料，好的灌封料应同时具备绝缘、耐高温、导热、密封防潮等特性，特别是防潮性能对保证电容器长期使用非常重要。其它辅助材料还包括：连接线、铝罐、上盖、接触端子、绝缘材料、螺钉、放电电阻，座垫等。

u 金属化膜层的厚度远小于金属箔的厚度，因此卷绕后体积也比金属箔式电容体积小很多，相对可以做到较大的容量。

u 金属化薄膜电容的优点是“自愈”特性，但同时会影响电容的容量。

u 环境中的湿气会影响电容增加漏电流，缩短电容使用寿命。

二．大功率电容寿命探讨

2.1 影响大功率电容寿命的因素

a区：早期失效率,电容器工厂、整机厂家在出厂前都会做老化筛选

b区：使用过程中失效率，厂家给出的使用失效率一般都小于10PPM

c区：寿命结束期老化失效率

电容器的故障有很多种故障模式，但从整个生命周期来看，可以主要分为三个阶段：制造时的瑕疵；安装和使用时的异常情况；正常使用随时间的劣化。

◆ 制造时的瑕疵

虽然可能因素项很多，但目前的质量控制一般都很好。若质量控制出现问题，一般会呈现出批次性的问题。个体的质量瑕疵，一般也会在使用早期阶段体现出来。要注意的是，大功率电容的电解质表面面积非常大，面积中的薄弱点成为电容性能的薄弱环节。

在后面有关寿命的探讨中，暂不考虑这些制造时的因素。

◆ 安装和使用时的异常情况

安装时因外力受损、使用时异常的温湿度环境、过高的电压、过大的纹波电流、过大的电流冲击等因素，都会影响电容器的正常使用寿命。

◆ 正常使用随时间的劣化

随使用时间的增加，电解液的蒸发、密封材料的老化等不可避免的会出现，会影响电容器的容量和使用寿命。电容器有寿命设计要求，当使用时间超过电容器的设计寿命时，电容器的失效率会迅速上升。

2.2 电容预期寿命的推算

◆ 金膜电容器的寿命预算公式
 

L：电容器在实际温度和工作电压下的预期寿命

L0：电容器在额定温度和电压下的预期寿命

Vn：电容器的额定电压

V：电容器的实际工作电压

T0：电容器的额定温度

T：电容器的实际工作温度

◆ 铝电解电容器的寿命预算公式 

其中：LX=估算寿命；

LO=额定寿命，厂家手册中给出；

KTEMP=环境温度加速项；

KRIPPLE=纹波电流加速项；

KVOLTAGE=电压加速项； 

ü 环境温度加速项 

Tmax：最高工作温度    

Ta：工作环境温度

采用10℃法则评估：电容器的工作环境温度每下降（上升）10 ℃，寿命就上升（下降）1倍。 

ü 纹波电流加速项 

Tc：电容器芯子温度  

Ta：电容器工作环境温度

采用5 ℃法则评估，电容器流过纹波电流时，芯子温度每升高5 ℃，寿命就下降一半。如果电容器的纹波电流很小，温升较低，Kripple计算下来就会大于1，这时Kripple只能取1。

ü 电压加速项KVOLTAGE      

电压加速项每个电容器厂家给出的计算方法差别较大，有些厂家使用以下公式：

Vo：额定电压      Vw：实际工作电压 

有些厂家给出列表，这种计算结果比较保守，业界也是多家使用：

电压降额>90%，K取0.8

90%>电压降额>80%，K取0.9

80％>电压降额，K取1.0

请注意：

推算出来的结果并不是保证值。

对于低温段的寿命推算，请把40℃作为下限。

推定寿命计算结果超过15年的场合，一般按15年为上限。

◆ 大功率UPS内常用大功率电容器的期望寿命和推荐更换时间 

根据上面给出的典型的寿命测试时间和在工作条件下的预期使用寿命考虑，给出了一个直流和交流电容更换的建议方案。直流电容在最大额定条件下测试时间在2000到5000小时，从而计算出可靠运行时间在150000小时。交流电容在加速条件下测试时间为2000到3000小时左右，同时计算出在作业条件下可靠时间在100000小时。这两组中前后数字的比例在50左右，比例太大了导致根据短时间的寿命测试时间来推算50倍长时间的预期使用寿命会出现很大误差，所以最终结果并不准确。目前来看，根据现场测量的数据为实时参考，并且定期的更换电容组是最好的保证高可靠性的方法。

国内越来越多的客户也认识到这个问题，接受并开始在器件预期寿命周期内对电容组进行预防性的整体更换。

2.3 为什么建议在预期寿命周期内做预防性整体更换

◆ 为什么建议在预期寿命周期内更换

在相关IEC标准（IEC60831等）或厂家规格书里，电容器寿命结束期的判断标准很明确，以下4项只要有1项满足，就可以判断电容器工作寿命已经结束，电容器已经失效： 

ü 与初始容量相比，容量变化大于20％； 

ü 漏电流超过手册初始规定值；

ü 损耗超过手册规定的初始值的200％； 

ü 不能有明显异常，比如鼓起，漏液，炸裂等。

请注意，我们在这里并不能单独的考虑某类的器件，而是需要考虑整个UPS系统。UPS系统需要高可靠性的工作，自然不能等到电容器工作寿命结束了才去维修、更换，否则会极大增加额外的成本和降低系统的可靠性，并带来一定的安全隐患。电容一旦失效，最可能的失效模式为爆裂，会扩大设备内部的故障范围，引发更为严重的故障。为保证设备的持续正常运行和业务的持续在线，我们不可能等到电容失效后或接近失效才去更换。合理的措施是在电容的预期寿命周期之内，在电容还未失效时就要考虑更换。

预期使用寿命和可靠寿命尽管很相似，但是它们并不相同。预期使用寿命是使用寿命的大致估计，是一个估计值，如一年，五年，十年等，这并不表示如果一个设计寿命五年的电容五年后才会坏，电容在预期使用寿命内也有可能损坏，预期使用寿命仅仅作为一个参考。可靠寿命是一个根据特定的运行时间和工作条件下累计故障概率统计出来的数据。统计学被应用到对交流和直流电容故障率的计算中，因为只有很少数电容会抽出来检测，即使是最精确的统计学模型，由于测试数据的局限性，计算结果也有很大的不确定性。电容可靠性的数据虽然可以从厂家获取，但这个要达到高精度预测的可能太小了，这就要求业界对电容进行定期预防性维护，包括基于使用年限根据经验进行电容更换，总之利用最正确无误的方式确保电容在UPS中运行正常只到UPS使用寿命到。

◆ 为什么建议整体更换

同一台UPS系统中的电容在前阶段有相同的累计故障率分布，当1到2个电容由于内部压力保护失效，这一组中的其他电容就会增加负荷从而加速老化。一旦第一个电容故障失效，其他电容故障的概率就很高，另外的情况是电容的失效容易扩大故障范围。为了最大保证可靠性，也避免多次变更来带的额外风险，建议在电容的寿命预期周期内按推荐的更换时间做预防性的整组更换。

全球所有电容厂家都提供了电容使用寿命评估，但这些评估只能作为一个参考，如果作为一系列电容中第一个电容什么时候故障的预测，会缺乏准确性。根据电容的失效率，电容存在一个失效模式，并最终失效，但是电容失效率在不同电容之间存在差异性，并非完全可靠。定期的更换电容是唯一确保较长平均故障间隔时间的方式。

◆ 为什么5-6年左右是一个比较好的经济更换周期

正常情况下电容使用5-6年不会失效，随着持续使用时间的增加相应失效的概率也会上升。但如前所述，要精确的预测长期可靠运行时间非常的困难。并且因为成本因素，没有UPS会考虑对每个大功率电容增加在线的电气参数和温度的测点来实时监测。但是我们可以从系统寿命角度来考虑，很多行业内UPS整机建议寿命在10-12年左右，这样我们在5-6年周期考虑电容的更换会在风险可控和整体寿命周期的投入上取得一个较好的平衡。

 相关参考文档

A. YD/T 1790.4-2009《通信局（站）电源维护技术要求 第四部分：不间断电源（UPS）系统》

B．NIPPON CHEMI-CON  铝电解电容器产品手册 ---《Technical Note》

C. Liebert White Paper ---《Capacitors Age and Capacitors Have an End of Life》