Ageing analysis, lifetime estimation and health monitoring method of metallized film capacitors
Analyse du vieillissement, estimation de la durée de vie et méthode de surveillance de l’état de santé des condensateurs à film métallisé.
Résumé
Widely used, the metallized film capacitors are a common cause of electronic system failure. Some of their failures can lead to serious accidents and severe damage to their surroundings, such as explosions or fires. In addition to these safety issues, the failures analysis is justified by the economic issues related to the maintenance of these systems. The objective is to estimate the remaining useful lifetime and to prevent the sudden failures. Nowadays, the most used ageing laws require performing preliminary ageing tests to identify their parameters and enable their extrapolation. These parameters strongly depend on the series and the manufacturer of the capacitor itself. For these reasons, these ageing laws are costly to use and not robust. Other types of laws based on stochastic processes and related to failure mechanisms are emerging. However, their robustness and predictive capability need to be evaluated. Finally, even if measures are implemented to reduce the occurrence of catastrophic failures, risks persist. There is a need to prevent these types of failures without solely relying on the internal characteristics and the background of the capacitors. To address these issues, this work was carried out in collaboration with Schneider Electric as part of a CIFRE contract. Several accelerated ageing tests were carried out on a total of 111 capacitors from different manufacturers. The first test campaign focused on ageing under fixed conditions of alternating voltage and temperature, while the second added the additional constraint of humidity. Post-mortem analysis revealed that the different ageing campaigns led to the prevalence of a specific type of failure mechanism. The first campaign highlighted the effects of self-healing, and the second, those of corrosion. Based on these results, models of the capacitance evolution according to these two mechanisms were established. These were validated by the data in comparison to some existing laws. A first model based on the metallization resistance degradation due to self-healing effects was also proposed. Simultaneously, a large number of thermal runaways on capacitors were observed. Through real-time health indicator measurements, an in-depth study of the process was conducted. Early signs of thermal breakdown were identified. These results enable the early detection of thermal runaway and the implementation of damage prevention measures. Based on this principle, a generic method for preventing the risk of thermal breakdown was proposed. Its feasibility has been demonstrated and experimentally evaluated.
Très largement utilisés, les condensateurs à films métallisés sont une cause commune de panne des systèmes d’électronique de puissance. Leur défaillance peut engendrer des risques d’explosion et d’incendie. Outre l’enjeu de sécurité, l’étude des défaillances est justifiée par les enjeux économiques relatifs à la maintenance des systèmes. L’objectif est de prédire l’évolution du vieillissement pour estimer la durée de vie utile restante et d’anticiper les pannes soudaines. A ce jour, les lois de vieillissement les plus utilisées nécessitent d’effectuer préalablement des essais de vieillissement accéléré afin d’identifier leurs paramètres et de permettre leur extrapolation. Ces paramètres varient grandement selon les différentes séries de condensateurs et leurs fabricants. Ces lois sont donc coûteuses à exploiter et non robustes. D’autres lois sont basées sur des processus stochastiques ou sur les mécanismes de défaillance. Il reste cependant à évaluer leur robustesse et leur portée prédictive. Enfin, si des dispositifs sont mis en place pour diminuer l’occurrence des défaillances catalectiques et leurs impacts, des accidents subsistent. Il reste nécessaire de prévenir ce type de défaillance catalectique indépendamment des spécificités internes et de l’historique du condensateur. Afin de répondre à ces problématiques, des travaux ont été menés en collaboration avec Schneider Electric dans le cadre d’un contrat CIFRE. Plusieurs essais de vieillissement accéléré ont été effectués sur un total de 111 condensateurs provenant de fabricants différents. Une première campagne de test s’est focalisée sur un vieillissement dans des conditions fixes en tension alternative et en température. La seconde a ajouté la contrainte de l’humidité. Des analyses post-mortem ont montré que les différentes campagnes de vieillissement conduisaient à la prévalence d’un type de mécanisme de défaillance spécifique. La première campagne a mis en évidence les effets des auto-cicatrisations et la seconde, ceux de la corrosion. Grâce à ces résultats, des modélisations de l’évolution de la capacité selon ces deux mécanismes ont pu être établies. Ces dernières ont été validées par les données au regard de lois existantes. Une première modélisation de la dégradation de la résistance de métallisation sous l’effet d’auto-cicatrisations a également été proposée. En parallèle, un grand nombre d’emballements thermiques de condensateurs ont pu être constatés. Grâce à des relevés d’indicateurs de santé, mesurés en temps réel, une étude approfondie du processus a pu être réalisée. Des signes précurseurs du claquage thermique ont été mis en évidence. Il devient ainsi possible de détecter précocement les emballements et d’agir pour prévenir leurs dégâts. Sur ce principe, une méthode générique de prévention des risques de claquages thermiques a été proposée. Sa faisabilité a été démontrée et évaluée expérimentalement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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