Le ragioni dell'invecchiamento dei condensatori a impulsi ad alta-tensione

I condensatori a impulsi ad alta- tensione sono componenti chiave nei sistemi elettronici di potenza e sono ampiamente utilizzati, tra gli altri, nei generatori laser, nelle fonti di alimentazione a impulsi, nella formazione elettromagnetica, nelle apparecchiature mediche e negli acceleratori di particelle. La loro caratteristica operativa è quella di resistere a variazioni estremamente elevate di tensione e corrente in un periodo di tempo molto breve. Tuttavia, come altri condensatori, subiranno inevitabilmente un degrado delle prestazioni o un invecchiamento durante il funzionamento a lungo termine.

Ⅰ. Invecchiamento da stress elettrico: il fattore più diretto

⑴ Scarica parziale: questa è la causa principale dell'invecchiamento dei condensatori ad alta-tensione.

Meccanismo: quando sono presenti bolle, impurità all'interno del dielettrico del condensatore o se l'intensità del campo elettrico ai bordi dell'elettrodo è eccessivamente concentrata, l'intensità del campo elettrico in queste aree supererà l'intensità del campo di rottura locale del mezzo. Di conseguenza si verificano piccoli guasti ed estinzioni ripetitive, note come scariche locali.

⑵ Sovratensione:

Sovratensione: anche una breve operazione di sovratensione può superare il limite di tolleranza del mezzo, causando direttamente danni all'isolamento e accelerando significativamente il processo di invecchiamento.

II. Invecchiamento da stress termico: il killer cronico delle prestazioni

⑴ Riscaldamento con perdita dielettrica: i condensatori generano calore a causa della perdita dielettrica in un campo elettrico alternato. Nelle applicazioni a impulsi ad alta-tensione, la tensione (U) è estremamente elevata e, sebbene la frequenza (f) non sia elevata, la quantità di calore generata è comunque considerevole.

⑵ Perdita ESR e generazione di calore: la resistenza in serie equivalente (ESR) del condensatore genera calore joule quando passa attraverso una corrente impulsiva di grandi dimensioni (Ipulse). Questa è la fonte primaria di generazione di calore per i condensatori a impulsi.

⑶ Effetto di accumulo termico: se il calore generato è maggiore del calore dissipato, la temperatura all'interno del condensatore continuerà ad aumentare. L'alta temperatura: ridurrà la resistenza dell'isolamento del dielettrico. Accelerare le reazioni di degradazione chimica all'interno del dielettrico.

III. Invecchiamento chimico e fisico dei materiali dielettrici

⑴ Degradazione dei materiali dielettrici: i materiali polimerici comunemente utilizzati, come la pellicola di polipropilene (BOPP), possono subire rottura della catena molecolare, reticolazione o ossidazione in caso di esposizione a lungo-campo elettrico, con conseguente graduale deterioramento delle proprietà dielettriche.

⑵ Invecchiamento dell'agente impregnante: la funzione dell'agente impregnante è quella di riempire gli spazi tra i film, aumentare la resistenza alla pressione e migliorare la dissipazione del calore. Tuttavia, l'agente impregnante si ossiderà, polimerizzerà o assorbirà gradualmente l'umidità, con conseguente diminuzione della costante dielettrica e delle prestazioni di isolamento e perdita del suo effetto protettivo.

⑶ Corrosione elettrochimica: l'intrusione di umidità e ossigeno è nemica dei condensatori. Subiranno reazioni elettrochimiche con gli elettrodi della pellicola metallizzata (solitamente lo strato di zinco-alluminio), con conseguente corrosione ed evaporazione degli elettrodi, manifestata come un costante calo della capacità (C) e un aumento della resistenza in serie equivalente (ESR). Questa è la principale modalità di invecchiamento quando la capacità di "auto-riparazione" del condensatore a film metallizzato è esaurita.