Designing accelerated life test setup for aluminium electrolytic capacitors
Mäkelin, Aleksi (2021)
Diplomityö
Mäkelin, Aleksi
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021111956063
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021111956063
Tiivistelmä
Aluminium electrolytic capacitors have been vital components for various electrical devices and machines for decades. Accelerated life testing (ALT) for capacitors provides important data of their lifetime, aging, and performance in various environments. With accelerated life testing both lifetime of capacitors and lifetime of devices using these capacitors can be improved. This also helps designing whole new applications and devices using aluminium electrolytic capacitors. By using accelerated life testing for aluminium electrolytic capacitors, and by calculating the lifetime in different environments, capacitors’ lifetime in field can be evaluated to anticipate and prevent their end-of-life failure. The ALT test setup was designed to accelerate loss of capacitance and ESR increase. This end-of-life failure mode can be accelerated by amplifying the normal operating conditions to achieve the failure sooner. This gives data that can be compared to the normal application conditions by using factors. The factors can be calculated and applied with different lifetime equations. Creating a tool where these factors are calculated in various situations. a plot can be drawn and see how an upcoming test batch will age, or directly compare the aging against normal operating conditions of the tested capacitors.
This thesis will introduce an accelerated life test setup for aluminium electrolytic capacitors, introduce ALT methods, capacitors’ failure modes and failure mechanism as well as a method how capacitors’ lifetime can be calculated in various environments. The ALT test setup was built into ABB Drives Helsinki laboratory with support of their engineers. Alumiini elektrolyytti kondensaattorit ovat olleet yksi tärkeimmistä komponenteista eri tehoelektroniikan sovelluksissa jo pitkään. Kondensaattoreiden kiihdytetty elinikä testaus tuottaa tärkeää tietoa kondensaattoreiden eliniästä, ikääntymisestä sekä suorituskyvystä eri olosuhteissa. Kiihdytetyllä elinikä testauksella voidaan parantaa niin kondensaattoreiden elinikää kuin näiden sovelluksienkin, jotka kondensaattoreita hyödyntävät. Kiihdytetyn elinikä testauksen avulla voidaan myös suunnitella uusia sovelluksia kondensaattoreille. Kondensaattoreille voidaan testauksen avulla myös laskea ja arvioida elinikää eri olosuhteissa kentällä sekä näin ennakoida tulevaisuudessa kondensaattoreiden eliniän kestoa. Testi on suunniteltu kiihdyttämään kondensaattoreiden kapasitanssin tippumista sekä ESR arvon nousua. Tätä elinkaaren loppumisen vikamoodia voidaan kiihdyttää nostamalla normaaleja operoinnin olosuhteita, jotta vikaantuminen tapahtuu nopeammin. Tällaisesta testistä saatua dataa voidaan verrata normaalien olosuhteiden vikaantumisiin kertoimien avulla. Kertoimet sekä elinikä eri olosuhteissa ovat laskettavissa kaavojen kautta. Luomalla työkalu, jonka avulla nämä kertoimet sekä elinikä voidaan laskea eri olosuhteissa, saadaan luotua kuvaaja, joka kertoo eliniän eri olosuhteissa. Kuvaajan avulla voidaan suoraan arvioida eri olosuhteissa tapahtuvien testien kestoa tai verrata tapahtuvaa ikääntymistä normaalien olosuhteiden ikääntymiseen.
Tämä diplomityö esittää tavan toteuttaa kiihdytettyä elinikä testausta alumiini elektrolyytti kondensaattoreille, esittelee ALT metodeja, kondensaattoreiden vikamekanismeja sekä moodeja, tavan kondensaattoreiden eliniän laskentaan ja arviointiin eri olosuhteissa. Testi rakennettiin ABB Drives Helsingin laboratorioon heidän työntekijöidensä avulla.
This thesis will introduce an accelerated life test setup for aluminium electrolytic capacitors, introduce ALT methods, capacitors’ failure modes and failure mechanism as well as a method how capacitors’ lifetime can be calculated in various environments. The ALT test setup was built into ABB Drives Helsinki laboratory with support of their engineers.
Tämä diplomityö esittää tavan toteuttaa kiihdytettyä elinikä testausta alumiini elektrolyytti kondensaattoreille, esittelee ALT metodeja, kondensaattoreiden vikamekanismeja sekä moodeja, tavan kondensaattoreiden eliniän laskentaan ja arviointiin eri olosuhteissa. Testi rakennettiin ABB Drives Helsingin laboratorioon heidän työntekijöidensä avulla.