如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

確保設(shè)備和用戶的安全對設(shè)計人員來說至關(guān)重要，而電容器則發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在諸如電動汽車 (EV) 充電器、變頻器 (VFD) 的電磁干擾 (EMI) 過濾器、LED 驅(qū)動器等系統(tǒng)中，以及諸如電容式電源和電源轉(zhuǎn)換器等高能量密度應(yīng)用中，元器件尺寸、重量和可靠性同樣具有舉足輕重的作用。

所有這些應(yīng)用面臨共同的挑戰(zhàn)是采購用于線對線的緊湊堅固型高壓 X1 和 X2 安全電容器、用于線對地 EMI 濾波的 Y2 電容器，這些器件的額定溫度/濕度/偏壓 (THB) 等級為 IIIB，可在 -40°C 至+125°C 之間運行，并且符合國際電工委員會 (IEC) 60384-14 和汽車電子理事會 (AEC) Q200 的要求。

為了滿足這些要求，設(shè)計人員可以使用小型聚丙烯薄膜 X1、X2 和 Y2 的 EMI 抑制安全電容器。這些產(chǎn)品符合 IEC 60384-14 要求，獲得了 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證且具有最高的 IEC 穩(wěn)健性分類，適用于在惡劣環(huán)境條件下要求高可靠性和更長壽命的應(yīng)用。這類小型自愈式電容器比傳統(tǒng) X1、X2 和 Y2 安全電容器要小得多，可以縮小印刷電路板（PC 板）面積，減小重量和成本。

本文將回顧安全電容器的電路應(yīng)用，以及 IEC 60384-14 和 AEC-Q200 測試和環(huán)境要求。然后比較 X2 聚丙烯薄膜電容器的并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并舉例介紹 [KEMET]適合 [Y2、X1] 和 [X2 安全]應(yīng)用的小型電容器，這些電容器符合 IEC 60384-14的要求，獲得了 AEC-Q200 認(rèn)證。本文還給出了這類電容器的焊接建議。

安全電容器的作用

安全電容器有兩個與安全有關(guān)的功能。安全濾波器過濾、抑制到達(dá)配電網(wǎng)的噪聲，并保護(hù)設(shè)備免受由雷電、電機換向和其他源頭引起的電壓尖峰的潛在損害。安全電容器還能保護(hù)設(shè)備用戶免受潛在的傷害。安全電容器是根據(jù)這兩種功能來分類和定義的。

從線路到中性點的差模 EMI 由 X 電容處理。Y 電容器處理共模干擾（圖 1）。如果 X 電容器發(fā)生故障，就有可能發(fā)生火災(zāi)。如果 Y 電容器發(fā)生故障，有可能造成用戶觸電。X 電容器采用短路情況下失效的設(shè)計，以觸發(fā)保險絲或斷路器并切斷電源電壓，從而消除火災(zāi)危險。Y 電容器故障造成火災(zāi)危險的可能性非常低，因為這些電容器采用開路情況下失效的設(shè)計，以防觸電。

圖 1：X 電容（藍(lán)色）用于過濾線對線干擾的 EMI，而 Y 電容（橙色）用于過濾線對地干擾。（圖片來源：KEMET）

除了分為“X”或者“Y”類外，EMI 濾波電容器可按照額定工作電壓及其峰值脈沖電壓處理能力進(jìn)行指定。在 Y 型電容器的情況下，還可按其是否具有基本絕緣或強化絕緣進(jìn)一步分類。目前有許多適用這些電容器的標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEC 60384-14、Underwriters Laboratories (UL) 1414、UL 1283、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (CSA) C22.2 No.1 以及 CSA 384-14。IEC 60384-14 按峰值脈沖電壓定義了 X 電容器的子類，按額定電壓和絕緣類別定義了 Y 電容器。此外，還為不同的等級規(guī)定了不同形式的耐久性測試。X1、X2 和 Y2 是最常用的安全電容器（表 1）。

• X 電容器子類
  • X3 電容器的峰值電壓脈沖等級小于或等于 1.2 kV
  • X2 電容器的峰值電壓脈沖等級小于或等于 2.5 kV
  • X1 電容器的峰值電壓脈沖等級超過 2.5 kv，小于或等于 4.0 kV
• Y 電容器子類
  • Y4 電容器的額定電壓低于 150 VAC
  • Y3 電容器的額定電壓為 150 V 至 250 VAC
  • Y2 電容器的額定電壓從 150 V 至 500 V AC ，具有基本絕緣
  • Y1 電容器的額定電壓高達(dá) 500 V AC ，具有雙重絕緣

表 1：IEC 60384-14 標(biāo)準(zhǔn)下，X 電容器按峰值脈沖電壓分類的示例和 Y 電容器按額定電壓和絕緣類型分類的示例。（表格來源：KEMET）

安全電容器的替代品

由于具有不同的額定電壓和不同的運行能力，只有某些類型的 X 和 Y 電容器可以用來替代其他具有相同或更高額定電壓的電容器。例如，Y1 電容器具有相同的電壓等級，但絕緣等級較高，可以作為 Y2 電容器的替代品使用。Y 電容器采用故障開路設(shè)計，可用來代替 X 電容器。但 X 電容器為了故障短路而設(shè)計，不能替代 Y 電容器（表 2）。雖然 X 電容器可以充分過濾 EMI，但不符合 Y 電容器的線對地安全標(biāo)準(zhǔn)。

| | | 類型替代 |
| ---- | --------------- |
| X1 | Y1 或 Y2 |
| X2 | X1、Y1、或 Y2 |
| Y2 | Y1 |
| Y1 | 無 |

表 2：某些 Y 電容器可以用作 X 電容器，但 X 電容器不能替代 Y 電容器。（表格來源：KEMET）

自愈

自愈能力是指金屬化電容器從暴露于電介質(zhì)擊穿造成的瞬間短路中恢復(fù)并迅速再生的能力。聚丙烯被認(rèn)為是自愈方面的最佳材料。聚丙烯的表面含氧量高，可以燒掉（清除）故障區(qū)域周圍的電極材料。故障清除后，會有一些不明顯的電容損失，而電容器的其他電氣特性也會恢復(fù)到額定值。除了使用聚丙烯薄膜外，金屬化材料及其厚度也是自愈的重要因素。如果電容器未經(jīng)過精心設(shè)計，針對自愈的優(yōu)化會使其更容易受到極端環(huán)境條件的影響。因此，如 THB 等更高水平的合格性測試會有益于這些電容器。

THB 合格性

THB 合格性測試通常適用于汽車、能源和工業(yè)應(yīng)用，用于衡量其部件的長期可靠性。THB 測試加速了元件退化，并在規(guī)定的交流或直流偏置條件下、在規(guī)定的時間后測量電氣參數(shù)。IEC 60384-14、AMD1:2016 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個 THB 等級（A 和 B）、II（A 和 B）和 III（A 和 B）（表 3）。要滿足最高級 (IIIB) 要求，包括在 85°C 和 85% RH 下暴露 1000 小時。為了通過測試，薄膜電容器必須證明：

• 電容變化 ≤10%
• 耗散系數(shù)變化 (Δtan δ) ≤ 150*10 ^-4^ （在 1 kHz 時，對于額定值大于 1 μF 的電容器）
• 耗散系數(shù)變化 (Δtan δ) ≤ 240*10 ^-4^ （在 10 kHz 時，對于額定值大于 ≤ 1 μF 的電容器）
• 絕緣電阻 ≥ 初始極限的 50% 或至少 200 MΩ。

| | 等級 | 測試條件 A | 測試條件 B |
| ------ | ----------------------- | ---------------------------- |
| I | +40°C / 93% RH
21 天 | +85°C / 85% RH
168 小時 |
| II | +40°C / 93% RH
56 天 | +85°C / 85% RH
500 小時 |
| I | +60°C / 93% RH
56 天 | +85°C / 85% RH
1,000 小時 |

表 3：最新版 IEC 60384-14 標(biāo)準(zhǔn)給出了 THB 測試的六個選擇。（表格來源：KEMET）

小型 X2 電容器

當(dāng)需要 X2 電容器時，設(shè)計人員可以采用 KEMET 的 [R53B 系列]徑向聚丙烯薄膜電容器，其電容范圍為 0.1 - 22 μF，并在符合 UL 94 V-0 可燃性要求的模塑殼中采用自熄性樹脂進(jìn)行封裝（圖 2）。這種小型電容器的引線間距為 15 - 37.5 mm，平均而言，其體積比標(biāo)準(zhǔn) X2 電容器小 60%，是一種更小更輕的解決方案。這種電容器符合 AEC-Q200 要求，在 IEC 60384-14 THB 測試中達(dá)到了 IIIB 級。

例如，[R53BI31505000K] 的額定電壓為 800 VDC，電容為 0.15 μF ±10%，而 [R53BI322050S0M] 的額定電壓為 800 VDC，電容為 0.22μF ±20%。

圖 2：R53B X2 電容器采用自熄性樹脂封裝和符合 UL 可燃性要求的模塑外殼。（圖片來源：KEMET）

X1/Y2 安全電容器

KEMET R41B 系列 X1/Y2 安全電容器的電容值范圍為 0.0022 - 1.2 μF，額定電壓高達(dá) 1,500 VDC，公差為 ±20% 或 ±10%。R41B 電容器的封裝與 R53B 電容器類似，其引線間距為 10 - 37.5 mm，體積小且具有 IIIB 級 THB 性能。像 [R41BF122050T0K]（2200pF)、1500VDC）這樣的 R41B 電容器，在 125°C 下的額定工作時間為 2000 小時。

R53B 和 R41B 安全電容器都適用于電動汽車的車載充電器、風(fēng)能和太陽能電源轉(zhuǎn)換器、VFD 和其他工業(yè)應(yīng)用，以及基于 SiC 和 GaN 的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計。

焊接要求

金屬化聚丙烯薄膜安全電容器在電氣和環(huán)境方面都非常穩(wěn)健，并能為操作者提供高水平保護(hù)，但在 PC 板上焊接時需要特別注意。聚丙烯的熔點在 160℃ 和 170℃ 之間。當(dāng)使用液態(tài)溫度為 183°C 的傳統(tǒng)錫鉛 (SnPb) 焊料時，可采用一些簡單的技術(shù)將這些電容器牢固地焊接到電路板上。

RoHS 指令要求以及元件小型化，使聚丙烯薄膜電容器的焊接變得更加復(fù)雜。該指令要求使用錫銀銅 (SnAgCu) 或錫銅 (SnCu) 合金。新合金的常見焊接溫度為 217°C 至 221°C，會導(dǎo)致元件上的熱應(yīng)力增加，可能使其性能退化或永久損壞。較高的預(yù)熱和波峰焊溫度會給小型聚丙烯薄膜電容器等小型元件造成破壞性的熱條件。KEMET 建議用戶在使用聚丙烯薄膜安全電容器時，執(zhí)行 IEC 61760-1 第 2 板的波峰焊曲線（圖 3）。

圖 3：為了防止在焊接聚丙烯薄膜安全電容器時出現(xiàn)熱損傷，KEMET 建議用戶按照 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線進(jìn)行操作。（圖片來源：KEMET）

當(dāng)需要手動焊接時，KEMET 建議將烙鐵頭的溫度設(shè)定為 350°C（最高 +10°C）。手動焊接應(yīng)限制為 3 秒或更短的時間，以免損壞元件。

對于通孔式聚丙烯薄膜電容器，則不建議采用典型的回流焊接法。KEMET 還建議，不應(yīng)將這些電容器放入用于連接表面貼裝元件的粘合劑固化爐。電容器應(yīng)在表面貼裝部件的粘合劑固化后再添加到印刷電路板上。如果需要通孔元件參與粘合劑固化過程或者進(jìn)行回流焊接，請就詳細(xì)的烤箱允許溫度曲線咨詢廠家。

結(jié)語

設(shè)計人員需要在滿足關(guān)鍵的設(shè)計要求的同時，確保設(shè)備和用戶安全。X 和 Y 安全電容器用于保護(hù)設(shè)備免受過多的電磁干擾，保護(hù)用戶免受傷害。使用 KEMET 堅固可靠的小型化聚丙烯金屬化薄膜安全電容器，設(shè)計人員可以滿足 IEC 60384-14 IIIB 級 HTB 和 AEC-Q200 的要求。這些電容器支持一系列工業(yè)、電動汽車和 WBG 電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的緊湊、輕量和低成本解決方案。