在越來越小的高壓汽車設(shè)計中防止電容器電弧放電

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

混合動力或全電動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，小型化的壓力可能會導(dǎo)致設(shè)計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保可靠性。

器件端子之間的較短距離將帶來可靠性問題，因為爬電（電場在電介質(zhì)表面上擴(kuò)散的自然趨勢）可能會導(dǎo)致電容器端子之間產(chǎn)生電弧（圖 1）。施加工作電壓。這通常會導(dǎo)致電容器發(fā)生故障，并可能對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，電場集中在MLCC內(nèi)的終端區(qū)域和相應(yīng)的第一對電極中。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，就會產(chǎn)生導(dǎo)電路徑，從而使終端區(qū)域集中電場中的能量得以釋放。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 時發(fā)生。對于某些高壓電容器，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)部對電極，這通常會導(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芯片表面的介電穩(wěn)定性。提高這種穩(wěn)定性會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)為絕對有必要滿足特定的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)，否則設(shè)計人員將避免此類成本。另一個危險是在處理和組裝過程中可能會損壞表面涂層。涂層中的缺口會降低爬電距離能力，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，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單獨(dú)的 1,000-V 1,000-μF 電容器串聯(lián)起來形成一個陣列，從而將擊穿能力提高到 5,000 V，即使所經(jīng)歷的總電場與單個電容器的相同. 然而，一個很大的缺點(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單片結(jié)構(gòu)中的整個電容器塊，具有與五個系列器件相同的特性。

圖 4：頂部 — 五個串聯(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，但與單個電極一樣，會降低電容。

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)施了浮動電極或串聯(lián)電容器技術(shù)。這些器件采用級聯(lián)內(nèi)部電極設(shè)計，可有效地在器件內(nèi)形成多個串聯(lián)電容器。雖然肯定會降低對表面電弧的敏感性，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。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在有源區(qū)域之間的電極。即使裂縫通過其中一個活動區(qū)域傳播，該器件可能會損失電容，但通常不會短路故障，因為連接到相對端子的電極之間沒有導(dǎo)電通路。由于這個原因，浮動電極無法打開。

弧盾技術(shù)

ArcShield 電容器設(shè)計使用額外的內(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)計中，表面的電場非?？拷俗?，而 ArcShield 設(shè)計具有更大的能量勢壘，因為存在與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)域的場強(qiáng)。

當(dāng)向 ArcShield MLCC 施加高壓偏壓時，在相對端子和相對電極結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生電位差，但電場集中在屏蔽電極上，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也是如此。