数据中心UPS 大功率电容的寿命分析

摘要：随着数据中心的发展和数据中心用电设备需求的不断增加，对UPS容量的要求日益提高。其中，数据中心的UPS尤为重要，它保障着数据中心的不间断供电，一旦出现故障将会导致供电瘫痪及数据丢失。因此，UPS需要具备极高的可靠性以保障后端负载的不间断供电。而随着设备使用周期的延长，可能存在诸多因素会影响设备的正常运行，其中交直流电容是需要格外重视的部件。UPS交直流电容具有使用寿命预期，且低于UPS整机的使用寿命周期。在数据中心领域，UPS的电容检测是UPS维护中的重要项目。

关键词：大功率电容；电容预期寿命；预防性整体更换；更换周期

中图分类号：TP301文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）35-0104-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1UPS使用的大功率电容

1.1UPS大功率电容器

在UPS内部使用有两种电容器，直流电容组和交流电容组，如图1所示。

1.2UPS中大功率电容器的作用

UPS中的交直流大功率电容器分别安装在整流和逆变电路的输出端。直流电容主要用于保证直流母线电压的稳定、直流输入端的滤波和瞬态电压抑制；交流电容则用于抑制逆变输出端的电压和电流谐波，从而保证UPS稳定输出电压[1]。

UPS的直流电容采用铝电解电容，交流电容组采用金属化薄膜电容用于交流滤波。直流铝电解电容的能量密度比交流金属化薄膜电容要大，但铝电解电容仅能用于直流电路。金属化薄膜电容既可用于交流电路，也可用于直流电路，若采用直流金属化薄膜电容，将极大增加UPS系统的尺寸和经济成本。

因此，目前市场上主流方案是铝电解电容用于直流电路，金属化薄膜电容用于交流电路。

UPS内部所使用的大功率电容，主要特点是电容容量要求较大、使用数量较多、使用电压等级较高、存在一定的纹波电流，且电容所处环境温度比机柜外高。

2UPS电容类型及特性分析

铝电解电容器和金属化薄膜电容器的基本原理相同，但在内部结构、使用材料和工艺、应用场景等方面具有不同的特点和要求。下面对UPS内使用的两种大功率电容器进行介绍。

2.1铝电解电容

铝电解电容器是一种电子元件，通常由两个铝箔作为极板，通过电解液和电介质隔离而成。其结构包括一个负极（通常是铝圆筒）和一个正极（一片弯曲的铝带），正极片上通过阳极氧化处理形成一层氧化膜（通常是三氧化二铝），作为电介质层。正极和负极之间浸渍有电解液，以提供电化学特性。铝电解电容器具有高电容量、低内阻和稳定可靠的特点，适用于电源滤波或低频电路中。它们具有极性，使用时须注意正负极的正确连接[2]。

铝电解电容器的主要特点：

1）铝电解电容器可实现较大容量，但漏电流相对较大。使用时具有极性，不能承受反向耐压。

2）铝电解电容器易受杂质污染，特别是Cl-、SO4-、Fe3+、Cu2+离子，加工及应用环境中不能含有这些离子的液体或气体。

3）铝电解电容器具有自愈特性，工作时电解液会修补绝缘介质的缺陷，同时产生气体。工作过程中，如内部气压过高，防爆阀会动作，释放气体。

2.2金属化薄膜电容

金属化薄膜电容是以有机塑料薄膜作为介质，以金属化薄膜作为电极，通过卷绕方式（叠片结构除外）制成的电容器。

金属膜电容的关键材料是经过蒸镀后的薄膜，选用不同的薄膜决定了电容器的主要性能，主要参数包括蒸镀层金属及形状、基膜材质及表面处理、厚度、边缘处理、是否为安全膜等。喷涂金属直接影响电容器的ESR及耐电流冲击能力。灌封料也是金属膜电容重要的材料，优质的灌封料应同时具备绝缘、耐高温、导热、密封防潮等特性，尤其是防潮性能对保证电容器长期使用非常重要。

金属膜电容器的主要特点：

1）金属化膜层的厚度远小于金属箔的厚度，因此卷绕后体积也比金属箔式电容体积小很多，相对可以实现较大的容量。

2）金属化薄膜电容具有“自愈”特性这一优点，但同时会影响电容的容量。

3）环境中的湿气会导致电容漏电流增加，缩短电容使用寿命。

3UPS电容寿命分析及预测

3.1影响大功率电容寿命的因素

电解电容器的使用寿命与环境温度和纹波电流有密切关系[3]，环境温度越高，电解电容器的使用寿命越短。如果环境温度过高，超过了电解电容器的最高额定温度，就会导致电解电容器中电解液沸腾产生过压，使泄压部件发生不可逆转的泄压动作，造成电解液泄漏，致使电解电容器永久性损坏。因此，电解电容器的存储和使用温度绝不可超过额定温度。相反，若降低工作温度则可以显著延长电解电容器寿命。

纹波电流的影响：纹波电流产生的热量引起电容的内部温升，加速电解液的蒸发。当容值下降20%或损耗角增大为初始值的2～3倍时，预示着电解电容寿命的终结。纹波电流的大小引起的电容器热应力增加对电解电容器的使用寿命有决定性影响，因此，由纹波电流产生的热损耗是影响电解电容器使用寿命的重要因素。

在实际使用中常常可以观察到电解电容器的实际寿命远高于标称值，这是因为使用温度低于最高额定温度。因此，若条件允许，尽可能降低环境温度来延长电解电容器的使用寿命是一种行之有效的方法，故通常设计中要求电解电容器应远离发热源。

3.2电容预期寿命的推算

1）金属膜电容器的寿命预算公式：

L=L0×（Vn/V）8×2T0+T/10

L：电容器在实际温度和工作电压下的预期寿命；

L0：电容器在额定温度和电压下的预期寿命；

Vn：电容器的额定电压；

V：电容器的实际工作电压；

T0：电容器的额定温度；

T：电容器的实际工作温度。

此项预算公式往往计算结果大于厂家给出的设计寿命，故此公式为理想状态下的预算公式。

2）铝电解电容器的寿命预算公式：

LX=LO×KTEMP×KRIPPLE×KVOLTAGE

式中：LX=估算寿命；

LO=额定寿命，厂家手册中给出；

KTEMP=环境温度加速项；

KRIPPLE=纹波电流加速项；

KVOLTAGE=电压加速项。

①环境温度加速项：

KTEMP=2（Tmax-Ta）/10

Tmax：最高工作温度；

Ta：工作环境温度。

采用热效力法则评估：电容器的工作环境温度每下降（上升）10℃，寿命就上升（下降）1倍。

②纹波电流加速项：

KRIPPLE=23-（Tc-Ta）/5

Tc：电容器芯子温度；

Ta：电容器工作环境温度。

根据热效应定律评估，当电容器流过纹波电流时，芯子温度每升高5℃，寿命将下降一半。如果电容器的纹波电流很小且温升较低，当Kripple计算结果大于1时，此时Kripple应取值为1。

③电压加速项：各电容器厂家给出的电压加速项计算方法差异较大，其中部分厂家采用以下公式：

KVOLTAGE=（VO/VW）2.5

VO：额定电压；

VW：实际工作电压。

部分厂家提供计算列表，此类计算结果较为保守，业界普遍采用：

电压降额＞90%，K取值0.8

90%＞电压降额＞80%，K取值0.9

80%＞电压降额，K取值1.0

注意事项：

推算结果并非保证值。

低温段寿命推算时，应以40℃作为下限。

推定寿命计算结果超过15年时，通常以15年为上限。

公式预估结果与实际使用时间常存在较大差异。实际应用中，电容器工作环境温度在50～80℃之间，部分设备因风扇磨损导致散热效果不佳，致使寿命更短。因此，各厂家除提供预估公式计算预期使用寿命外，还根据具体使用情况提供了电容器设计寿命及不同条件下的电容器更换时间对照表。

3.3大功率UPS电容器的预期寿命与更换周期建议

大功率UPS内常用大功率电容器的期望寿命和推荐更换时间，如图2所示。

根据上述典型寿命测试时间和工作条件下的预期使用寿命考虑，提出了直流和交流电容更换的建议方案。直流电容在最大额定条件下测试时间为2000至5000小时，据此计算出可靠运行时间为150000小时。交流电容在加速条件下测试时间为2000至3000小时左右，相应计算出在作业条件下可靠时间为100000小时。这两组数据前后比例约为50%，由于比例差异较大，根据短时间寿命测试推算长期预期使用寿命会产生较大误差，因此最终结果精确度不高。目前，电容器的可靠寿命主要依据现场测量数据作为实时参考，且定期更换电容组是确保高可靠性的最佳方法[4]。

目前越来越多的客户已经认识到这一问题，认可UPS大功率电容器的可靠寿命，并在器件预期寿命周期内对电容组进行预防性的整体更换。

3.4实际应用中更换电容的分析参考数据

数据中心对使用超过5年的电容进行了大量分析，现就UPS大功率电容器使用5年的具体情况介绍如下：

大部分电容在使用5年左右容量衰减不明显，但损耗均有不同程度的增加：

1）交流金属膜电容内芯基本完好，镀层基本完整，自愈点数量较少；

2）交流金属膜电容内芯基本完好，但芯包存在发热迹象，镀层部分区域自愈点较多；

3）交流金属膜电容内芯基本完好，容量在正常范围内，但镀层出现大片密集或整片缺失情况，存在严重失效可能；

4）直流电解电容内芯基本完好，镀层基本完整，电解液呈现少量干涸迹象；

5）直流电解电容内芯基本完好，电解液溶质出现结晶现象，这种状态不稳定，在高压高温条件下其修补氧化膜的效率将逐渐降低，常温下电参数未显示异常；

6）直流电解电容常温电参数仍在正常范围内，但内部干涸结晶严重，可能随时发生严重失效。

由此可见，电容的衰减与使用环境具有较强相关性。

4UPS电容预防性更换策略

电容器应在预期寿命周期内及时更换。

根据相关IEC标准（IEC60831等）或厂家规格书规定，电容器寿命结束期的判断标准明确，以下4项中若有1项满足，即可判定电容器工作寿命已结束，电容器已失效：

1）容量相对初始值变化超过20％；

2）漏电流超过手册规定的初始值；

3）损耗超过手册规定初始值的200％；

4）出现明显异常，如鼓起、漏液、炸裂等。

UPS系统需要高可靠性，不能等到电容器工作寿命结束后才进行维修或更换，否则会极大增加维修成本，降低系统可靠性，并带来安全隐患。电容一旦发生故障或失效，其最可能的故障或失效模式为爆裂，这将扩大设备内部的故障范围，引发更为严重的故障。为保证设备的持续正常运行和业务的持续在线，应在电容的预期寿命周期内，在电容尚未失效时就考虑更换。

预期使用寿命和可靠寿命虽然很相似，但它们并不相同。预期使用寿命是使用寿命的大致估计，是一个估值，例如1年、5年或10年等，这并不意味着设计寿命为5年的电容一定会在5年后失效，电容在预期使用寿命内也有可能损坏。可靠寿命是根据特定运行时间和工作条件下累计故障概率统计得出的数据。即使是最精确的统计学模型，由于测试数据的局限性，计算结果也存在很大的不确定性。尽管电容的可靠性数据可以从厂家获取，但要实现高精度预测的可能性很小。因此，业界需要对电容进行定期预防性维护，包括基于使用年限和经验进行电容更换，总之，通过最可靠的方式确保电容在UPS中正常运行。

5结论

经过以上对UPS电容寿命的分析，得出如下结论。

5.1建议整体更换

同一台UPS系统中的电容，一旦出现第一个电容故障或失效，其他电容发生故障的概率将显著提高。此外，电容失效容易扩大故障范围。为最大程度保证系统可靠性，建议在电容的预期寿命周期内，按照推荐的更换时间进行预防性的整组更换。

5.25～6年左右是一个较好的经济更换周期

YD/T1790.4-2009《通信局（站）电源系统维护技术要求第4部分：不间断电源（UPS）系统》的附录A中，已对电容的更换给出建议：滤波电解电容的建议工作年限为（6～7）年，5年后或根据设备的要求进行更换[5]。如前所述，精确预测电容的长期可靠运行时间非常困难。然而，从系统寿命的角度考虑，很多行业内UPS整机的建议寿命为10～12年左右，因此在5～6年周期内考虑电容的更换，可以在风险可控和整体寿命周期的投入上取得较好的平衡。

6大功率电容器未来研究方向的展望

随着技术的进步和大功率电容器市场需求的增长，电容器在相关领域的应用将进一步发展。目前，大功率电容器的发展主要由超级电容器相关技术革新推动。采用新材料、双电层、固态介质的超级电容器具有充放电时间短、使用寿命长、温度特性优良、节能环保等特点。作为一种结合了传统蓄电池和介电电容器的新型绿色储能器件，超级电容器已在工业生产中占据了一席之地。随着新能源汽车、智能穿戴设备等的普及，超级电容器若要进一步扩展其应用领域，降低成本、提高能量密度将成为下一步发展的重要目标。同时，制约超级电容器性能和成本的电极材料仍将是未来研究的重点[6]。

【通联编辑：谢媛媛】