Vieillissement et modes de défaillance

Les condensateurs utilisés en électronique de puissance, surtout les électrolytiques, sont les éléments les plus fragiles dans un convertisseur [Vernet]. Ce résultat a été établi à partir des données du Military Hardbook (MIL-HDBK 217F) concernant la fiabilité des équipements électroniques de faible puissance. C’est pour cette raison que beaucoup d’études de fiabilité ont été menées sur ces composants. Ces études ont permis de déterminer les causes du vieillissement de ces condensateurs, les indicateurs pour suivre l’évolution de ce vieillissement et les modes de défaillance de ces composants. A partir de ces données, les fabricants de condensateurs sont capables de donner des durées de vie en fonction de la température de fonctionnement de leurs condensateurs.

Dans des conditions de fonctionnement normales, les défaillances dites immédiates ne se produisent pas à moins que n’apparaissent des surtensions ou des surintensités accidentelles, ou que la qualité de ces condensateurs de soit pas surveillée. En fonctionnement normal, d’autres phénomènes sont susceptibles d’intervenir et d’altérer les propriétés du condensateur au cours du temps.

a) Altérations chimiques

Ce type de dégradations se produit à la suite de réactions chimiques entre les constituants d’un condensateur (connectique, électrolyte, diélectrique…) dont les propriétés subissent des changements progressifs. Plus la vitesse de ces réactions est élevée, plus la durée de vie du composant est raccourcie. La cinétique de ces réactions est accélérée par l’augmentation de la température. Cette influence est donnée par la loi d’Arrhenius :

KTE0

e

v

∝

Avec : v la vitesse de la réaction,

E0 l’énergie d’activation de la réaction concernée, K constante de Boltzmann.

Parmi les altérations chimiques subies par les condensateurs, on peut citer :

- La corrosion des armatures et des connexions. Elle conduit à de mauvais contacts électriques entre le diélectrique, les armatures et les contacts extérieurs. Cette dégradation peut provoquer une diminution de la surface active des armatures, donc de la capacité et une augmentation de la résistance de contact (limite la tenue au courant).

- La décomposition chimique du diélectrique ou de l’électrolyte b) Rupture des connexions

Un condensateur se transforme en circuit ouvert lorsqu’il y a rupture des connexions entre la partie principale (bobinage) et les bornes extérieures. Cela survient surtout lorsque le condensateur est traversé par un fort courant crête. Ce courant induit des efforts électrodynamiques qui peuvent être suffisant pour rompre ces connexions. Ces efforts concernent les forces d’origine magnétique (force de Laplace) : deux nappes surfaciques de courant (armatures) ou deux fils parcourus par des courants de même intensité, s’attirent ou se repoussent (selon le sens du courant) avec une force qui est proportionnelle au carré du courant [Aouda]. Cette force dépend aussi des caractéristiques géométriques du système. Certains constructeurs de condensateur caractérisent leurs produits en déterminant le dVc/dt maximal admissible (le dVc/dt max correspond à un courant maximal dans le condensateur).

Cette rupture de connexion peut aussi être provoquée par un échauffement local (résistance de contact non nulle) entraînant la fusion du contact armature-connexion, obtenue généralement par soudure. Certains condensateurs sont spécifiés en I²t (courant nominal ou impulsionnel au carré multiplié par son temps d’application) tout comme les fusibles. Ces deux contraintes (mécanique et thermique) entraînent la défaillance par circuit ouvert du condensateur.

c) Perte d’électrolyte

Les condensateurs électrolytiques ont une technologie qui leur confère une propriété d’autocicatrisation (cf. plus haut). Par conséquent ce type de condensateur ne subira pas un vieillissement notable tant que cette réaction pourra avoir lieu. Pour assurer cette réaction, il faut qu’il y ait une certaine quantité d’électrolyte entre les électrodes et que la polarisation soit correcte.(tension positive).

Durant le fonctionnement, l’électrolyte présent dans les différentes couches de papier s’évapore. La pression à l’intérieur du boîtier augmente et une certaine quantité d’électrolyte peut sortir du boîtier soit par la soupape de sécurité en cas de forte surpression, soit par les joints du boîtier (perte d’herméticité). Cette évaporation peut avoir trois causes.

Apparition de surtensions répétitives.

Ces surtensions entraînent la rupture diélectrique de la couche d’oxyde (tension d’alimentation ≅ tension limite de claquage). Cependant, étant donné la polarisation du condensateur, les ions OH- présents dans l’électrolyte migrent vers l’anode et subissent la réaction d’oxydation :

2AL + 6OH-→ AL2O3 + 3H2O + 6 e -

(I)

6H+ + 6e-→ 2H2↑ (II)

Ces électrons en mouvement (anode → cathode) participent au courant de fuite et créent un échauffement supplémentaire dans le condensateur. Tandis que la première réaction (oxydation anodique) tend à reformer le diélectrique, la deuxième réaction génère de l’hydrogène qui vient augmenter la pression à l’intérieur du boîtier.

Si ces surtensions apparaissent avec une grande fréquence, la pression à l’intérieur du boîtier devient telle que, soit la soupape de sécurité s’ouvre, soit le boîtier explose.

Dégradation par tension inverse

Si le condensateur est soumis à une tension inverse, le champ électrique résultant va favoriser la migration des ions H+ vers l’anode, et à travers la couche d’alumine où ils y subissent la réaction (II). Les ions OH- migrent vers la cathode et subissent la réaction d’oxydation anodique : il y a formation d’une couche d’alumine sur la cathode et donc diminution de la capacité globale du condensateur (cette deuxième couche crée un condensateur en série avec le premier). Ces deux réactions produisent des courants de fuite qui engendrent une augmentation de la température au cœur du condensateur. Sous l’effet de cette température, la vaporisation de l’électrolyte est accrue et la pression augmente dans le boîtier.

Dégradation par température ou courant élevé

Le cœur du condensateur peut être le siège d’un échauffement important si le courant efficace qui le traverse est élevé ou si la température ambiante est importante. Les effets sont les mêmes que précédemment à savoir une vaporisation de l’électrolyte entraînant une augmentation de la pression dans le boîtier.

De manière générale, quelle que soit la cause, la perte de l’électrolyte engendre une augmentation de la pression à l’intérieur du boîtier. Cette perte d’électrolyte entraîne une diminution de la capacité et une augmentation de la résistance série du condensateur. Elle se traduit aussi par une diminution du poids du condensateur. Avec la résistance série, augmente aussi la température de cœur du condensateur, entraînant une augmentation de la pression. Ce phénomène se répète et s’amplifie jusqu'à la défaillance du condensateur. La figure II.28 rappelle tous les modes de défaillance que peuvent subir ce type de condensateur [Nichicon].

La résistance série (ESR) est un des indicateurs les plus sensibles du vieillissement de ces condensateurs. Des systèmes existent, permettant de suivre l’évolution de ESR au cours du temps, durant le fonctionnement d’un convertisseur [Lahyani1] [Lahyani2].

Figure II.28 : diagramme de défaillance pour les condensateurs électrolytiques Application d’une surtension Causes liées a L’application Causes liées à La fabrication Mécanismes de défaillance Modes de défaillance Stress mécanique anormal Courant excessif Application d’une tension inverse Stress extérieur anormal Infiltration d’halogène ou d’agent nettoyant Charge et décharge excessive détérioration Détérioration des joints perméabilité Diminution de la quantité d’électrolyte Fuite d’électrolyte Augmentation de la pression interne Ouverture du boîtier Augmentation du courant de fuite Corrosion des électrodes et de l’armature Détérioration de la couche d’oxyde Court-circuit Court-circuit entre électrodes Rupture diélectrique de l’oxyde Circuit ouvert Diminution de la capacité et augmentation de la résistance série Déconnexion de l’extrémité de l’armature Détérioration de l’électrolyte Diminution de la quantité d’électrolyte Diminution de la capacité de la cathode Diminution de la capacité de l’anode Présence de petites particules de métal Présence d’un point faible sur le

papier imprégné Couche d’oxyde défectueuse Connexion insuffisante au niveau de l’armature Infiltration de substance

2.4.7 Conclusion

Durant ce paragraphe, nous nous sommes intéressés aux condensateurs électrolytiques utilisés généralement en électronique de puissance. Pour avoir une vision globale, nous nous sommes intéressés à tous les aspects : la fabrication, les conditions d’utilisation, les mécanismes de dégradation et les modes de défaillance. Cette étude nous a permis de mieux appréhender les mécanismes de vieillissement de ce type de composants mais surtout, elle nous a informé sur les paramètres à surveiller durant ce vieillissement.

En effet, les objectifs que nous nous sommes fixés concernant l’étude des condensateurs électrolytiques durant nos essais de fiabilité sont les suivants : durant ces essais, les condensateurs seront soumis à un stress important (traversés par un courant efficace prédéterminé et à haute température de cœur) au sein du futur banc de test. Ils feront l’objet d’un suivi régulier de l’évolution des indicateurs de vieillissement (résistance série, capacité, poids). Le choix de ces indicateurs est issu de l’étude des mécanismes de vieillissement précédente. Ce suivi régulier nous permettra de quantifier le vieillissement de ces condensateurs et de déterminer avec exactitude une possible durée de vie utile pour ce type de composants, dans ce type d’applications (filtrage de courant haute fréquence). Les constructeurs de condensateurs considèrent que lorsque la résistance série a augmenté de 300% et/ou que la capacité a diminué de 20%, le condensateur est défaillant. Cette étude nous permettra de suivre cette évolution, de voir si il y a un effet d’emballement (forte augmentation de la résistance série en peu de temps, par exemple). Les condensateurs utilisés durant cette étude ne seront pas poussés jusqu’à la défaillance : ils seront changés en temps voulu afin de pouvoir poursuivre l’étude préliminaire sur les modules IGBT.