[論文レビュー] Metallized Film Capacitor Lifetime Evaluation and Failure Mode Analysis

R. Gallay|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

High voltage insulation and dielectric phenomena参考文献 1被引用数 42

ひとこと要約

本稿では、温度、電圧、湿度の加速要因を組み込んだウェイブル分布に基づく寿命予測モデルを提示する。このモデルは、部分放電、メタリゼーションの劣化、湿気の侵入といった主な故障モードを特定し、パワー電子機器における信頼性への影響を定量化する。

ABSTRACT

One of the main concerns for power electronic engineers regarding capacitors is to predict their remaining lifetime in order to anticipate costly failures or system unavailability. This may be achieved using a Weibull statistical law combined with acceleration factors for the temperature, the voltage, and the humidity. This paper discusses the different capacitor failure modes and their effects and consequences.

研究の動機と目的

• パワー電子システムにおけるメタリックフィルムコンデンサの寿命予測モデルの開発を目的とする。
• コンデンサの信頼性に影響を与える支配的故障モードを特定・分析することを目的とする。
• 環境的および作動ストレス要因（温度、電圧、湿度）がコンデンサの劣化に与える影響を定量化することを目的とする。
• 深刻な故障が発生する前に正確な残存寿命推定を可能にすることで、予防保全を支援することを目的とする。
• 陽子加速器などの高信頼性環境に適用可能な信頼性評価フレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• メタリックフィルムコンデンサの故障までの時間をモデル化するため、ウェイブル統計分布の適用。
• 加速試験結果を実環境条件に外挿するため、温度、電圧、湿度の加速要因を組み込む。
• フィールドデータとラボでのストレス試験を用いて、ウェイブルモデルのパラメータをキャリブレーション。
• 故障解析および原因究明に基づき、故障モードを分類。
• 既知の故障力学的原理を用いて、環境ストレス要因を寿命モデルに統合。
• 制御された条件下でのコンデンサのストレス試験から得た実証データと照合して、モデルを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的および環境的ストレスが併存する条件下で、メタリックフィルムコンデンサの主な故障モードは何か？
• RQ2 温度、電圧、湿度が、個別的および相互作用的にコンデンサの寿命にどのように影響するか？
• RQ3 ウェイブル分布が、加速条件下でのこれらのコンデンサの故障までの時間行動をどれほど正確にモデル化できるか？
• RQ4 温度、電圧、湿度の加速要因を、寿命予測に信頼性を持って決定・適用するにはどうすればよいか？
• RQ5 湿気の侵入および部分放電が、長期的な信頼性および故障進行に与える影響は何か？

主な発見

• ウェイブル分布は、加速ストレス条件下でのメタリックフィルムコンデンサの故障までの時間行動を効果的にモデル化できる。
• 温度が支配的ストレス要因であり、加速要因は熱ストレスに対して強い指数関数的依存性を示す。
• 電圧ストレスは、特に高い電界強度で部分放電が発生することで、劣化に顕著に寄与する。
• 湿度への露出は絶縁破壊のリスクを増加させ、メタリゼーション層の腐食を促進する。
• 部分放電およびメタリゼーションの薄化は、高電圧用途における主要な故障メカニズムと特定された。
• 温度、電圧、湿度の併存効果により、温度のみを考慮したモデルと比較して予測寿命が最大50％短くなることがある。