在越來越小的高壓汽車設計中防止電容器電弧放電

作者：REGGIE PHILLIPS高壓產品經理KEMET?

混合動力或全電動汽車中的逆變器和充電系統提供了面臨極端空間限制的高壓應用的典型示例。當多層陶瓷電容器 (MLC) 用作高壓線路上的濾波器時，小型化的壓力可能會導致設計人員在可用的最小情況下選擇器件，例如 0603。0603 芯片可節省 1206 占用的 75% 的電路板空間MLCC。然而，這些較小的外殼要求設備制造商在減小的封裝體積內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（電場在電介質表面上擴散的自然趨勢）可能會導致電容器端子之間產生電弧（圖 1）。施加工作電壓。這通常會導致電容器發生故障，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。

飛弧現象分析

如圖2所示，當向MLCC施加高壓直流偏壓時，電場集中在MLCC內的終端區域和相應的第一對電極中。電位差開始沿著芯片表面建立，一旦達到空氣的電擊穿，就會將其上方的空氣電離。

圖 2：電容器表面周圍可能產生電弧的電氣條件。

一旦達到電離空氣的起始電壓，就會產生導電路徑，從而使終端區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較低電位的區域，而不是通過電容器。在放電過程中，芯片表面會出現可見和可聽的電弧。

這種類型的電弧可能在施加的電壓約為 300 V 時發生。對于某些高壓電容器，這可能低于設備的額定電壓。如果電弧發生在端接表面之間并通過陶瓷體的介電材料到達第一內部對電極，這通常會導致電容器的介電擊穿，從而導致短路情況，從而導致災難性故障。

防止電弧放電

電容器供應商已經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定性。提高這種穩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，設計人員一直在高壓應用中的 PCB 上使用表面涂層。該技術已被證明是有效的，但主要缺點是應用涂層的成本。除非認為絕對有必要滿足特定的電氣安全標準，否則設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，在選擇具有預涂涂層的設備時，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。不相容性可能導致表面涂層過早失效。

還存在安裝組件下方的氣隙以及環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備相同的電弧電位。

圖 3：涂層中的缺陷會使設備容易產生電弧。

串聯電極

圖 4所示的另一種技術是“串聯電極”結構。該圖的第一部分說明了如何將五個單獨的 1,000-V 1,000-μF 電容器串聯起來形成一個陣列，從而將擊穿能力提高到 5,000 V，即使所經歷的總電場與單個電容器的相同. 然而，一個很大的缺點是總電容降低到 200 μF。該圖的第二部分顯示了放置在單個單片結構中的整個電容器塊，具有與五個系列器件相同的特性。

圖 4：頂部 — 五個串聯的獨立電容器。底部——單片串聯電極結構提高了擊穿電壓，但與單個電極一樣，會降低電容。

包括 KEMET 在內的許多制造商已經在許多涵蓋中低電容值的設備系列中實施了浮動電極或串聯電容器技術。這些器件采用級聯內部電極設計，可有效地在器件內形成多個串聯電容器。雖然肯定會降低對表面電弧的敏感性，但這種類型的串聯連接也是一種非常有效的柔性裂紋緩解技術，可降低電容器短路故障的風險。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域之間的電極。即使裂縫通過其中一個活動區域傳播，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電通路。由于這個原因，浮動電極無法打開。

弧盾技術

ArcShield 電容器設計使用額外的內部屏蔽電極，如圖5所示，它可以消除可能導致表面電弧的影響，而沒有涂層或串聯電極結構的缺點。在標準設計中，表面的電場非常靠近端子，而 ArcShield 設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。