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保护高压MLCC的电弧放电对策

时间:2019-05-07 作者:Reggie Philips,基美电子高级产品经理 阅读:
通过增加屏蔽电极,高达1000V的小芯片尺寸封装大电容MLCC可以抵抗电弧放电,从而大大提高电动汽车和可再生能源发电等应用中高压电路的可靠性。基美电子的ArcShield表贴MLCC具有屏蔽电极专利设计,可以克服传统电弧放电防治措施(例如级联电极或保形涂层)的缺点,从而无需保护涂层即可获得永久保护。相对于更大尺寸的传统MLCC或通孔陶瓷和薄膜电容器,它们还为设计工程师提供了可节省空间的替代方案。

创新的电弧放电预防方法可实现小尺寸高电压表贴MLCC,从而为电动汽车或可再生能源发电中的新兴应用提供高性价比且节省空间的解决方案。ju3EETC-电子工程专辑

高压应用设法节省空间

在风力/太阳能逆变器或电动汽车(EV)动力系统等对节能要求很高的应用中,以高压方式配电有助于降低I2R损耗。例如,在EV应用中,为逆变器供电的直流链路可能是3-400V,而对风力或太阳能调节而言则可能更高。然而,这类高工作电压不仅对最终用户带来了额外的安全挑战,而且对元器件——即使是那些在外壳上印有合适额定电压的元器件——也是如此。让我们看下多层陶瓷电容器(MLCC)——常见用途包括滤波、去耦或者缓冲——是如何受数百伏所加偏压影响的。ju3EETC-电子工程专辑

公认的物理定律告诉我们,高MLCC额定电压和小封装尺寸是不能同时并存的:增加额定电压需要在极板之间加厚介电层,这反过来又会增加器件的尺寸。即便如此,业界对小型和轻型电源设备的需求,要求在越来越小的芯片尺寸轮廓内实现高电容和高额定电压。EV逆变器或风力/太阳能微型发电机的设计人员,通常会试图采用0603和0805外壳尺寸的X7R型MLCC等电容器,其额定电压为500V、630V或1000VDC。ju3EETC-电子工程专辑

防止电弧放电损坏和破坏

元器件制造商可以通过使用更好的电容器材料和构造技术来满足这些需求。然而,如图1所示,在实践中,爬电(电场在电介质表面上的自然扩散)以及强电场可能引起周围空气发生电离等因素,会威胁到高压工作元器件的安全性。当发生电离时,如果所加偏压超过电离空气的起始电压,则不同电位的器件端子或电极之间会形成导电通路,从而导致电晕放电或电弧放电。ju3EETC-电子工程专辑

ju3EETC-电子工程专辑

图1.电离为端子与端子或端子与电极之间拉弧放电创造条件。ju3EETC-电子工程专辑

电弧放电发生的起始电压受多种因素的影响,例如大气温度和压力、湿度和端子爬电距离等。反过来,爬电距离又受器件表面是否有污染物影响,例如导电灰尘颗粒或积聚的水分。具有高介电常数的陶瓷材料(例如X7R材料),其孔隙率(即材料表面存在的空隙)会比其他电介质(例如C0G)更高。这些空隙往往含有水分和灰尘,从而使元器件更容易发生电弧放电。ju3EETC-电子工程专辑

端子之间发生电弧放电可以持续,但如果在器件表面反复发生电晕放电,则随着时间的推移,会产生碳化轨道,从而建立导电通路。随着放电继续发生,这最终会导致短路故障。ju3EETC-电子工程专辑

更直接的问题是,如图2所示,在器件的外部部件和位于相反电位的第一个内部对电极之间有可能发生放电。这通常会引起快速介电击穿,从而导致短路故障,并经常伴有急剧的电容器破坏。ju3EETC-电子工程专辑

2019-05-14_143621.jpgju3EETC-电子工程专辑
图2.端子与第一个对电极之间产生电弧放电,通常会引起电容器快速失效。ju3EETC-电子工程专辑

从历史上看,电容器制造商和材料专家们已经开发出各种技术,用来减轻引起电离和电晕放电的原因。其中之一是用高绝缘聚合物或玻璃状涂层涂覆MLCC,形成光滑无孔的表面,从而使污染物或水分积聚发生的可能性最小。尽管事实证明这种技术有效,但也存在若干缺点,包括材料的成本和运用它的额外工艺开销。此外,如果器件主体没有完全封装,或者有涂层受损,则涂层的有效性会受到影响。ju3EETC-电子工程专辑

此外,如果采用的是预涂器件,则电路板设计人员必须确保涂层材料与PCB组件中所用其他材料兼容。另一方面,如果是在组装后涂覆涂层,则必须注意确保没有空隙或间隙,例如在器件下面的区域。这些情况会损害涂层的完整性并有可能产生与未涂覆器件相同的电弧放电。ju3EETC-电子工程专辑

浮动电极

或者,可以通过调整内部结构,使电容器承受高施加电场的能力增加。ju3EETC-电子工程专辑

一个例子是级联内部电极设计。这种方法又称为浮动电极或串联电容器技术,它可以以与串联连接多个电容器相同的方式提高额定电压,并有效增加爬电距离,从而降低在施加高电场强度时产生电弧的可能性。如图所示,浮动电极设计还可通过防止任何一对相对电极之间有裂缝穿过,发生短路,来有效减轻挠裂。与挠曲相关的裂缝可能仅会引起电容损失或安全的开路故障。一个缺点是,就像串联连接分立电容器一样,串联电容器方法会降低有效电容。ju3EETC-电子工程专辑

内部屏蔽

最近的一项发展是在器件内部添加一个屏蔽电极,它与最近的端子处于相同的电位,并向相对的端子延伸,如图3所示。可以把它想象成像法拉第笼一样,并且它与串联电容器结构相比,可以实现更传统的电极布局。因此,对于给定的额定电压和器件尺寸,电容可以更高。此外,屏蔽电极与柔性端子兼容,可以防止发生应力开裂。ju3EETC-电子工程专辑

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图3.屏蔽电极可降低电容器表面和第一个对电极区域的场强。ju3EETC-电子工程专辑

当端子两端加有高压偏压并且超过电容器周围电离空气的初始电压时,采用该屏蔽电极可防止电晕放电引起端子和第一个对电极之间发生电介质击穿,从而防止出现前面图2中所述的快速短路故障模式。ju3EETC-电子工程专辑

因为屏蔽电极与最近的端子所处的电位相同,所以电场集中局限在屏蔽电极而不是端子表面和相应的第一个对电极位置。这可以最大限度地减少沿芯片表面的电位差,并增加爬电距离能力。 因此,即使是小尺寸器件或采用高孔隙率电介质制造的器件(如X7R),也可以从增强的电弧放电抗扰性中受益,而使相关损坏或器件故障的可能性降低。ju3EETC-电子工程专辑

基美电子已对该技术申请专利,以便创建ArcShield™系列抗电弧MLCC,而以小型EIA标准外壳尺寸提供高电压和大电容。尺寸从0603到1812的商用或AEC-Q200汽车级ArcShield电容器现已供货,电容值在500VDC额定值时高达0.33μF,在630VDC时为0.15μF,在1000VDC时为0.10μF。ju3EETC-电子工程专辑

总结

通过增加屏蔽电极,高达1000V的小芯片尺寸封装大电容MLCC可以抵抗电弧放电,从而大大提高电动汽车和可再生能源发电等应用中高压电路的可靠性。基美电子的ArcShield表贴MLCC具有屏蔽电极专利设计,可以克服传统电弧放电防治措施(例如级联电极或保形涂层)的缺点,从而无需保护涂层即可获得永久保护。相对于更大尺寸的传统MLCC或通孔陶瓷和薄膜电容器,它们还为设计工程师提供了可节省空间的替代方案。ju3EETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志5月刊ju3EETC-电子工程专辑

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