Reliability analysis of metallized-film capacitors under varying mission profile and a study of their thermal coupling effect

In recent years, with the growing application of large-capacity power electronic equipment in power system, the costly margin-based reliability design is no longer able to satisfy the need of massive power use. Therefore, the reliability design methods of those important devices in power electronic system are in urgent need of optimization, such as power capacitors. According to practical use, power capacitors often fail ahead of the theoretical lifetime computed by the constant mission profile model, which makes it inefficient to evaluate the reliability. Parallelly, in most of the cases, the thermal resistance of capacitor is also taken as a constant value, not considering the impact brought by varying environmental stresses. This dissertation thus studies combining varying mission profile and inconstant thermal resistance to estimate the lifetime of metallized-film capacitors, using finite element method to compute the hot-spot temperature, finally proposed a joint simulation method for improvement. In this way, under varying mission profile in a long timescale, the conventional model is updated, and the problems mentioned above could also be decently avoided. The corresponding experiment is implemented to verify the accuracy of extracting thermal data by finite element method, it also validates that datasheet-based constant model has less fault tolerance. Further, for better buffering the pulsation energy and maintaining an operational voltage, capacitors are also used in the form of a capacitor bank connected in series or in parallel. For a single capacitor in the bank, its thermal stress under multi-physical field differs by its position and relative coupling effect. For clearly illustrating the reliability evaluation process of a capacitor bank whose structure and function mechanism are more complicated, this dissertation studies how to calculate the thermal distribution by proposing an improved analytical model, using more accurate thermal resistance to represent different coupling effects between each individual capacitor, thus realizing a quick reliability evaluation to find feasible optimization method. In the meantime, this dissertation also proposes an improved capacitor bank design, which could help alleviate the uneven thermal distribution inside the bank, and finally prolong its life expectancy. This design reduces the possibility of an early failure caused by unbalanced lifetime distribution, then the reliability in the long timescale is guaranteed. Finally, simulations and experiments are prepared to validate the accuracy of the analytical model, and correspondingly, the proposed reliability design for capacitor bank is proved to be effective. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Prof. Jinjun Liu at Xi’an Jiaotong University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Xi’an Jiaotong University and Politecnico di Milano.

Negli ultimi anni, con la crescente applicazione di apparecchiature elettroniche di potenza di grande capacità nei sistemi di alimentazione, il tradizionale approccio all'affidabilità basato sui margini non è più in grado di soddisfare l'esigenza di un massiccio consumo di energia. Pertanto, i metodi di progettazione dell'affidabilità di dispositivi importanti nei sistemi elettronici di potenza come i condensatori di potenza hanno urgente bisogno di ottimizzazione. Generalmente, i condensatori di potenza si guastano prima della durata teorica calcolata dal modello del profilo di missione costante, il che rende inefficiente la valutazione dell'affidabilità. Parallelamente, nella maggior parte dei casi, viene presa come valore costante anche la resistenza termica del condensatore, non considerando l'impatto delle diverse sollecitazioni ambientali. Questa tesi studia la combinazione di profilo di missione variabile e resistenza termica incostante per stimare la durata dei condensatori a film metallizzato, utilizzando il metodo degli elementi finiti per calcolare la temperatura del punto caldo, e propone un metodo di simulazione congiunta per il miglioramento. In questo modo, sotto il profilo della missione variabile in un lungo arco temporale, il modello convenzionale viene aggiornato e anche i problemi sopra menzionati vengono limitati. L'esperimento corrispondente viene implementato per verificare l'accuratezza dell'estrazione dei dati termici con il metodo degli elementi finiti, inoltre convalida che il modello costante basato su foglio dati ha una tolleranza ai guasti inferiore. Inoltre, per tamponare meglio l'energia di pulsazione e mantenere una tensione operativa, i condensatori vengono utilizzati anche sotto forma di un banco di condensatori collegati in serie o in parallelo. Per un singolo condensatore nel banco, il suo stress termico in un campo multifisico differisce per la sua posizione e il relativo effetto di accoppiamento. Per illustrare chiaramente il processo di valutazione dell'affidabilità di una batteria di condensatori la cui struttura e meccanismo di funzionamento sono più complicati, questa tesi studia come calcolare la distribuzione termica proponendo un modello analitico migliorato, utilizzando una resistenza termica più accurata per rappresentare diversi effetti di accoppiamento tra ogni singolo condensatore, realizzando così una rapida valutazione dell'affidabilità per trovare un metodo di ottimizzazione fattibile. Inoltre, la tesi propone uno schema iniziale del banco basato sulla posizione di accoppiamento relativo, che consente di alleviare la distribuzione termica irregolare, e di prolungare l'aspettativa di vita della batteria di condensatori, evitando un guasto precoce causato da una distribuzione sbilanciata della durata di vita, quindi l'affidabilità nel lungo termine è garantita. L'accuratezza del modello analitico viene verifacta mediante simulazioni ed esperimenti che consentono di verificare l’efficacia del progetto di affidabilità proposto per il banco di condensatori. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione del Prof. Jinjun Liu presso l’Università Xi’an Jiaotong nell'ambito del programma di doppia laurea magistrale in Ingegneria Elettrica tra l’Università Xi’an Jiaotong e il Politecnico di Milano.