电容器高温高压老化试验测试方案 5000V.docx
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电容器高温高压老化试验测试方案5000V
电容器高温高压老化试验测试系统
方
案
书
杭州四维电子有限公司
电容器高温高压老化试验测试系统方案
一、设备需求
1、老化用高压电源电压范围：
1000V～5000VDC；
2、每路老化电容器充电电流：
小于1mA；
3、每次老化电容器数量：
最多1000只；
4、高温老化箱温度：
小于180℃；
5、短路检测：
老化过程中自动检测每路老化电容器漏电流。
当漏电流超过100uA时判断为电容器短路，系统自动切断该路老化电压，并在LCD显示器上进行该路短路提示；
6、开路检测：
老化过程前自动检测每路老化电容器是否接触良好。
老化过程中自动检测每路老化电容器是否开路。
当存在此故障时，可自动切断该路老化电压（也可选择不切断），并在LCD显示器上显示；
7、当某路老化电容器存在短路或开路故障时不能影响其它电容器的老化进程，系统正常运行；
8、系统老化结束时可以自动对每路电容器进行放电并检测电容器残留电压，当所有电容器残留电压均低于30V（可设定）时系统给出放电完毕指示；
9、系统自动控制高温老化箱启动、温度调节、关闭等动作（高温老化箱需具备通讯控制功能）；
10、老化过程中系统具有老化时间显示；
11、老化过程即时显示当前老化电压、高温箱老化温度（高温老化箱需具备通讯控制功能）；
12、老化过程中可独立测试并显示选定的某路老化电容器的漏电流和电容值；
13、老化结束系统输出每路电容器短路、开路、合格的指示；
14、系统自动记录老化过程中每路电容器漏电流、电容量的数据记录，并可显示漏电流、电容量的变化曲线；
15、每次老化电容器合格、不合格、漏电流、电容量值均可记录、打印、存储、调用和分析；
二、设计方案及实现过程
1、概述
本老化测试系统是一种最先进的电容器高温高压老化测试系统，可以实现对各种封装的电容器进行边高温高压老化边测试容量的功能。
系统由一个具备最大容量为24个插槽的单柜型高温老化试验箱和24组具备强大功能的驱动控制模块以及4台5000V高压电源组成。
高温老化试验箱的插槽间距为100mm，型号为广州五所生产的PH-401；驱动控制模块完成高压电源电压检测、漏电流检测、电容量检测、短路检测、开路检测、电容器充放电切换阵列等功能。
本老化测试系统完全采用模块化的结构，最多可安装24个驱动控制模块（每个插槽安装一块），每个驱动控制模块在电气及功能方面是互相独立的。
换句话说，每个驱动控制模块独立控制，即每个驱动控制模块就是一个独立的工作区。
每一个工作区由一块带有微处理器的驱动控制模块控制，每一个插槽/老化板对应一个驱动控制模块。
所有这24个驱动控制模块，是通过RS485或者CAN总线连接到工业控制计算机的。
采用耐高压、耐高温的新型老化板是本老化测试系统的另一个重要特点。
老化板板材选用聚酰亚胺材料。
聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能。
老化座选用耐高温型塑料或者胶木，陶瓷等材料，簧片镀金，老化座带有锁紧装置，以避免电容器接触不良。
图1高温试验箱
图1是一个单柜型的高温老化试验箱，型号PH-401，具有24个插槽的容量。
该高温试验箱主要技术参数如下：
表1：
主要技术参数
型号
PH-401
温度范围
（环境温度＋20）℃～200℃
升温时间
（空载）
（环境温度+20）℃→200℃:
60min以内
温度波动度
±0.5℃
温度偏差
±2℃
标称内容积
432L
内箱尺寸（mm）
W600×H1200×D600
外形尺寸（mm）
W1200×H1700×D785
重量（kg）
250
电源容量（kW）
3.9
图2系统正视图
图2是整机系统正视图，图中高温老化试验箱右边标准机柜中，有工业控制计算机IPC以及24寸液晶显示器和4台5000V高压电源。
在高温老化试验箱后背的机柜中，安装有24套独立的驱动控制模块，系统侧视图如图3所示。
图3系统侧视图
2、工作过程简介：
电容器高温高压老化试验测试系统在设计过程中既考虑到了老化时将老化电压有效地施加给被老化电容器（老化回路低阻），同时也考虑到了在老化过程中电容器的失效可能会引起的对老化电源及其它被老化电容器的冲击，从而采用了相应的控制、切换措施。
单元老化线路原理图如图4
图4单元老化线路原理示意图
图中元件：
J1：
老化切入/充电继电器；
J2：
充电完成老化切入继电器；
J3：
充电并联电阻接入继电器；
J4：
老化/放电切换继电器；
J5、J8：
工位剔除继电器；
J6：
放电并联电阻接入继电器；
J7：
老化/检测切换继电器；
V1-3：
单向隔离二极管；
R1、R2：
充电电阻；
R3、R4：
放电电阻；
R5、R7：
漏电流采样电阻；
R6：
短路电流采样电阻
C1、C2：
老化电容器；
VV1：
瞬态电压抑制二极管
工作过程描述：
a）开机待命状态
各继电器处于初始状态（常闭点），此时未接通老化电源。
b）充电状态
操作上位机软件使系统处于开始老化或继续状态，J1切向常开点，J2继电器仍处于常闭点；被老化元件由R1充电，系统实时检测充电电流大小，确保充电电流不大于1mA。
c）短路剔除状态
当某一被老化元件击穿时（或者漏电流大于100uA），驱动控制模块上CPU检测到短路信号，对于瞬时击穿，控制仪对其不予处理，当短路时间持续1秒以上时，系统进行漏电流查询，将漏电流大于设定的漏电流数的工位判为电容短路。
然后输出控制信号至该工位所串联的继电器（J5），切断该工位在老化系统中的回路。
下一个电容器击穿时重复以上过程。
d）漏电流测试状态
J7继电器切断R6回路,漏电流信号在采样电阻上转换成电压信号，信号通过电子开关的选择后被送到放大电路，通过MAX197及CPU完成采样；所测到的漏电流值存入数据缓冲区并在LCD显示器上显示。
e）开路检测
系统配置一台电容量测试仪，驱动控制模块通过切换开关阵列对每一路电容器的容量进行检测，将对应电容器的信号切换到容量测试仪的输入端，容量测试仪检测当前通道的容量值，并将该通道的容量数据送给工业控制计算机。
工业控制计算机将得到的容量值与设置的容量值进行比较，就可以获得该通道电容器未接触好的信息。
f）放电状态
在退出老化或暂停老化状态，系统进行自动放电。
J4切向常开点，放电回路接通，电容器通过电阻R3放电，当电容器上的电压小于10V或设定值，放电结束，系统给出放电完成指示。
3、系统主要性能计算
3.1数据采样
采用12位A/D转换器MAX197，其分辨率为1/4096，线性度为±1LSB，偏移误差±3LSB，不考虑线路误差，则转换精度为3.5/4096≈±0.1%。
漏电流采样采用100Ω±0.1%电阻进行差分放大，0.1μA时对应采样电压为10μV，因此放大器采用低失调高精密运放MAX430，其失调电压为5μV,通过调零可以保证低端的精度。
3.2低端稳定性:
3.2.1温度稳定性MAX430温漂0.02μV/℃,按室温30℃变化计算0.02μV/℃×30℃=0.6μV相当于对漏电流产生0.06μA的影响。
3.2.2信号的稳定性漏电流0.1μA时对应采样电压为10μV,信号弱,工频干扰的很大,通过下面四种方法减小工频干扰的影响.
对放大器工作电源进行稳压滤波
前级采用差分放大,消除共模干扰
PCB图进行精密布局
软件滤波处理
三、系统主要配置
序号
名称
数量
备注
1
工业控制计算机
1套
Ø研祥工控机
2
液晶显示器（含键盘鼠标）
1套
Ø24寸液晶显示器
3
高温试验箱
1台
Ø生产厂家：
广州五所
Ø规格型号：
PH-401
4
试验箱温度检测单元
1套
Ø高温试验箱温度独立检测、超温报警保护
5
老化试验电源
4台
Ø规格型号：
5000V/0.2A
6
驱动控制模块
24块
Ø每块驱动控制模块由一套独立单片机控制
7
电容容量测试仪
1套
Ø用于电容容量测试
8
系统工作电源
1套
Ø系统工作辅助电源
9
强电控制单元
1套
Ø整机强电控制（启动/关机），用于产品供电电压、电流的监测
10
系统控制软件
1套
Ø备份软件
四、系统主要性能指标
序号
项目名称
主要技术性能指标
1
试验标准
Ø本系统试验线路和试验方法符合国军标GJB360和美军标MIL-STD-202的相关要求。
2
适用范围
Ø适用于各种轴向、径向、表贴式等封装形式的钽电容器、电解电容器、独石电容器、云母电容器、陶瓷电容器、薄膜电容器等类型的电容器进行高温高压电老化试验。
3
控制模式
Ø计算机程控模式，主控计算机采用高可靠的标准工业用计算机或根据需方要求配置标准商用计算机；
ØWindows操作系统专用软件，类Windows的图形用户界面；
Ø采用工业控制计算机及24"显示器，机键盘、鼠标进行操作。
4
高温试验箱
Ø试验箱温度控制范围：
环境温度～200℃；试验箱温度控制精度：
≤±1℃；试验箱温度均匀性：
≤±3℃；具体参照广州五所公司产品出厂指标；
Ø高温试验箱具有通讯功能，系统自动控制高温老化箱启动、温度调节、关闭等动作；
Ø增加一套独立的温度监测、超温报警系统,当试验箱温度超过设定的温度时,自动声报警并切断高温试验箱的供电电源或整机电源；避免由于高温试验箱温度波动或失控造成被试验器件损坏，使试验箱工作处于多重保护状态；
Ø微机实时检测、记录试验箱温度，实时描绘试验箱的温度-时间曲线，在整个试验过程中实时监控高温试验箱的温度，防止试验箱温度波动导致器件失效。
5
老化
试验电源
Ø配置4路5000V/0.2A高压老化试验电源，可同时老化4种不同试验电压的电容器，每1路电源对应供给相应的电容器老化试验板电源输入关系见下表：
序号
电源规格
对应试验通
试验电压范围
1
5000V/0.2A
第1、2、3、4、5、6通道
100～5000V
2
5000V/0.2A
第7、8、9、10、11、12通道
100～5000V
3
5000V/0.2A
第13、14、15、16、17、18通道
100～5000V
4
5000V/0.2A
第19、20、21、22、23、24通道
100～5000V
Ø每台电源均可恒压、恒流工作，具有过压、过流、短路、过热等保护功能。
6
驱动控制模块
Ø整机配置24块驱动控制模块；
Ø每块驱动控制模块由一套单片机独立控制，对应控制一块老化试验板（试验通道）；
Ø每块驱动控制模块独立管理该老化试验通道，控制该试验通道的试验状态、试验进程；
Ø在线实时检测所有工位的漏电流、电容容量值，实时判别检测结果是否超过设置的上限，若超过，记录报警工位；
Ø通过设置击穿电流，实时检测短路击穿的失效工位并控制该工位脱离老化回路，上位机软件显示短路击穿工位号；
Ø每次试验自动控制试验电容充、放电，保证试验完毕电容器完全放电，当电容器上的电压小于10V或设定值，放电结束，系统给出放电完成指示；
Ø漏电流检测范围：
100nA～50mA,精度：
2%±2LSB
Ø电流检测分辨率：
100nA
Ø老化电压检测范围：
100V～5000V,精度：
2%±2LSB
Ø电压检测分辨率：
0.1V（检测电压≤600V），0.3V（检测电压≤1000V），1V（1000V<检测电压≤5000V）
7
老化试验区
Ø整机采用一板一区的控制方式，即配置24块由单片机独立控制的驱动控制模块，一一对应控制24个试验通道；
Ø每个试验通道由一块老化试验板和一块驱动控制模块组成；
8
老化试验板
Ø供方根据需方要求进行老化试验的电容器品种设计、加工老化试验板；
Ø电容器老化试验板一般有径向、轴向、表贴式等几种封装形式；
Ø不同封装形式的电容器对应需要不同的老化板；
Ø径向封装的电容器直径相差较大的对应需要不同的老化板；
Ø片式封装的电容器电极之间距离不同的对应需要不同的老化板。
9
试验工位
Ø每块老化试验板的检测试验工位为50个；
Ø整机同时可插24块试验板，总计50个/块×24块=1200个检测试验工位；
Ø试验工位的数量与被试电容器的外形有关，外形体积越大，试验工位相应减少，具体见老化试验板说明书。
10
定时器
Ø独立设置每个试验通道老化时间（整机共24个试验通道）；
Ø定时范围：
1分钟～1000小时；
Ø各个老化通道的电容器老化到时结束后，分时独立声报警并提醒人工控制结束老化。
11
系统软件
Ø整机控制系统采用上、下位机通讯方式，上位机（工控机）通过标准RS485或CAN总线接口，与24套下位机（单片机）进行通讯；
ØWindows操作系统专用软件，类Windows的图形用户界面；
Ø具有操作导向功能，操作方便、简洁，初学者不经培训就可以学会操作；
Ø具有被试验电容器参数库编辑、记录、存储等功能，便于调用和查询；
Ø每个试验通道老化时间在1分钟～1000小时内可设置，器件老化结束后报警并提醒人工控制结束老化，或根据设置的报警时间，报警结束自动关闭电源及负载，结束老化；
Ø实时显示被试验电容器充放电过程，确保试验安全；
Ø自动/手动定位或巡回检测每个老化通道的试验参数，记录、保存数据并形成数据库；
Ø设置每个试验区的老化电容器漏电流上限，容量上下限，超限电容器分布图显示相应工位号；
Ø老化过程中可独立测试并显示选定的某路老化电容器的漏电流和电容值；
Ø老化结束系统输出每路电容器短路、开路、合格的指示；
Ø动态描绘每个工位的电容器漏电流、容量和试验电压、试验箱温度时间进程曲线，随时查阅某一时刻的所有试验工位的试验参数；
Ø设置试验过程中的检测间隔时间，监测每块板老化电源的电压和试验箱温度并记录故障发生时间；
Ø实时查询老化板的插板状态；
Ø老化暂停和继续的控制等功能；
Ø保存所有试验信息，试验结果形成报表，方便统计、分析。
12
系统使用
环境条件
Ø环境温度：
-5℃～40℃
Ø相对湿度：
不大于80%
Ø大气压强：
750±30mmHg
Ø周围环境无强磁场干扰和有害气体侵蚀
Ø电网电压：
AC380V±10%，三相五线制
Ø电网频率：
50Hz±2Hz
Ø系统功率：
10KW
Ø系统重量：
800Kg
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