在越來越小的高壓汽車設(shè)計(jì)中防止電容器電弧放電

作者：REGGIE PHILLIPS高壓產(chǎn)品經(jīng)理KEMET?

混合動(dòng)力或全電動(dòng)汽車中的逆變器和充電系統(tǒng)提供了面臨極端空間限制的高壓應(yīng)用的典型示例。當(dāng)多層陶瓷電容器 (MLC) 用作高壓線路上的濾波器時(shí)，小型化的壓力可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在可用的最小情況下選擇器件，例如 0603。0603 芯片可節(jié)省 1206 占用的 75% 的電路板空間MLCC。然而，這些較小的外殼要求設(shè)備制造商在減小的封裝體積內(nèi)最大限度地提高電容并確?？煽啃?。

器件端子之間的較短距離將帶來可靠性問題，因?yàn)榕离姡妶?chǎng)在電介質(zhì)表面上擴(kuò)散的自然趨勢(shì)）可能會(huì)導(dǎo)致電容器端子之間產(chǎn)生電?。▓D 1） 。施加工作電壓。這通常會(huì)導(dǎo)致電容器發(fā)生故障，并可能對(duì)附近的其他組件造成熱損壞。諸如高大氣濕度或組件表面污染等因素會(huì)進(jìn)一步增加電弧的可能性。

圖 1：白色條紋是 MLCC 端子之間的表面電弧。

飛弧現(xiàn)象分析

如圖2所示，當(dāng)向MLCC施加高壓直流偏壓時(shí)，電場(chǎng)集中在MLCC內(nèi)的終端區(qū)域和相應(yīng)的第一對(duì)電極中。電位差開始沿著芯片表面建立，一旦達(dá)到空氣的電擊穿，就會(huì)將其上方的空氣電離。

圖 2：電容器表面周圍可能產(chǎn)生電弧的電氣條件。

一旦達(dá)到電離空氣的起始電壓，就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電路徑，從而使終端區(qū)域集中電場(chǎng)中的能量得以釋放。這種放電沿著電容器的表面穿過空氣并到達(dá)較低電位的區(qū)域，而不是通過電容器。在放電過程中，芯片表面會(huì)出現(xiàn)可見和可聽的電弧。

這種類型的電弧可能在施加的電壓約為 300 V 時(shí)發(fā)生。對(duì)于某些高壓電容器，這可能低于設(shè)備的額定電壓。如果電弧發(fā)生在端接表面之間并通過陶瓷體的介電材料到達(dá)第一內(nèi)部對(duì)電極，這通常會(huì)導(dǎo)致電容器的介電擊穿，從而導(dǎo)致短路情況，從而導(dǎo)致災(zāi)難性故障。

防止電弧放電

電容器供應(yīng)商已經(jīng)嘗試了多種方法來防止電弧放電。其中之一是沿芯片表面涂敷聚合物或玻璃涂層以填充任何空隙并提供光滑的表面，該表面對(duì)爬電的敏感性自然較低。

用絕緣材料填充這些空隙也有助于排除污染物并提高整個(gè)芯片表面的介電穩(wěn)定性。提高這種穩(wěn)定性會(huì)減少空氣的電離并增加沿表面的起始電壓。

幾十年來，設(shè)計(jì)人員一直在高壓應(yīng)用中的 PCB 上使用表面涂層。該技術(shù)已被證明是有效的，但主要缺點(diǎn)是應(yīng)用涂層的成本。除非認(rèn)為絕對(duì)有必要滿足特定的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)，否則設(shè)計(jì)人員將避免此類成本。另一個(gè)危險(xiǎn)是在處理和組裝過程中可能會(huì)損壞表面涂層。涂層中的缺口會(huì)降低爬電距離能力，并使電容器容易受到污染和電弧放電（圖 3）。此外，在選擇具有預(yù)涂涂層的設(shè)備時(shí)，重要的是要確保涂層材料與所有適用的組裝材料、工藝和條件兼容。不相容性可能導(dǎo)致表面涂層過早失效。

還存在安裝組件下方的氣隙以及環(huán)氧樹脂涂層中和下方的空隙的問題。這些間隙和空隙允許與未涂層設(shè)備相同的電弧電位。

圖 3：涂層中的缺陷會(huì)使設(shè)備容易產(chǎn)生電弧。

串聯(lián)電極

圖 4所示的另一種技術(shù)是“串聯(lián)電極”結(jié)構(gòu)。該圖的第一部分說明了如何將五個(gè)單獨(dú)的 1,000-V 1,000-μF 電容器串聯(lián)起來形成一個(gè)陣列，從而將擊穿能力提高到 5,000 V，即使所經(jīng)歷的總電場(chǎng)與單個(gè)電容器的相同. 然而，一個(gè)很大的缺點(diǎn)是總電容降低到 200 μF。該圖的第二部分顯示了放置在單個(gè)單片結(jié)構(gòu)中的整個(gè)電容器塊，具有與五個(gè)系列器件相同的特性。

圖 4：頂部 — 五個(gè)串聯(lián)的獨(dú)立電容器。底部——單片串聯(lián)電極結(jié)構(gòu)提高了擊穿電壓，但與單個(gè)電極一樣，會(huì)降低電容。

包括 KEMET 在內(nèi)的許多制造商已經(jīng)在許多涵蓋中低電容值的設(shè)備系列中實(shí)施了浮動(dòng)電極或串聯(lián)電容器技術(shù)。這些器件采用級(jí)聯(lián)內(nèi)部電極設(shè)計(jì)，可有效地在器件內(nèi)形成多個(gè)串聯(lián)電容器。雖然肯定會(huì)降低對(duì)表面電弧的敏感性，但這種類型的串聯(lián)連接也是一種非常有效的柔性裂紋緩解技術(shù)，可降低電容器短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。彎曲裂紋不能穿過電容器兩端的電極。它只能穿過源自電容器一端的電極和浮動(dòng)在有源區(qū)域之間的電極。即使裂縫通過其中一個(gè)活動(dòng)區(qū)域傳播，該器件可能會(huì)損失電容，但通常不會(huì)短路故障，因?yàn)檫B接到相對(duì)端子的電極之間沒有導(dǎo)電通路。由于這個(gè)原因，浮動(dòng)電極無法打開。

弧盾技術(shù)

ArcShield 電容器設(shè)計(jì)使用額外的內(nèi)部屏蔽電極，如圖5所示，它可以消除可能導(dǎo)致表面電弧的影響，而沒有涂層或串聯(lián)電極結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，表面的電場(chǎng)非?？拷俗?，而 ArcShield 設(shè)計(jì)具有更大的能量勢(shì)壘，因?yàn)榇嬖谂c端子極性相似的屏蔽電極。

圖 5：屏蔽電極降低了電容器表面和第一反?電極區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)。

當(dāng)向 ArcShield MLCC 施加高壓偏壓時(shí)，在相對(duì)端子和相對(duì)電極結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生電位差，但電場(chǎng)集中在屏蔽電極上，而不是在端子表面和相應(yīng)的第一反電極上. 這最大限度地減少了沿芯片表面的電位差，并顯著提高了爬電距離能力，即使在較小的情況下以及在電介質(zhì)表面存在高孔隙率時(shí)也是如此。

圖 6：ArcShield 電容器采用標(biāo)準(zhǔn)封裝。

護(hù)盾效果回顧

標(biāo)準(zhǔn)重疊 X7R MLCC 易受三種基本高壓故障機(jī)制的影響。這些是端子和最近的相反極性電極之間的電弧放電、端子之間的電弧放電和內(nèi)部擊穿。

ArcShield 陶瓷電容器通過添加屏蔽電極來解決這些故障機(jī)制，從而防止端子和任何附近的相對(duì)電極之間產(chǎn)生電弧。這些器件還包含更厚的有源區(qū)域，可有效提高擊穿電壓。

圖 7：空氣中的電壓擊穿測(cè)試（50 個(gè)），比較標(biāo)準(zhǔn) 1206 MLCC 與 ArcShield 版本。

將 ArcShield 技術(shù)應(yīng)用于較小的外殼，例如 1206（圖 6）和 0805 或 0603（表 1），可實(shí)現(xiàn)高壓擊穿和可靠的壽命測(cè)試性能。

表 1. 較小外殼尺寸 ArcShield MLCC 的性能數(shù)據(jù)。

結(jié)果表明，這些電容器可以承受遠(yuǎn)高于典型混合動(dòng)力/EV 逆變器或電池充電電壓的電壓，表明 X7R 高壓 MLCC 在小至 0603 的情況下可以安全使用。

審核編輯 黃昊宇