电弧放电对策保护高压MLCC

在节能至关重要的应用中，例如风能或太阳能逆变器或电动汽车 (EV) 动力系统，以高压分配电力有助于降低 I 2 R 损耗。例如，在 EV 应用中，为逆变器供电的直流链路可以是 3 V 至 400 V，对于风能或太阳能调节，甚至可以更高。然而，像这样的高工作电压不仅给最终用户带来了额外的安全挑战，也给组件带来了额外的安全挑战——即使是那些在外壳上印有合适额定电压的组件。

让我们来看看多层陶瓷电容器 (MLCC) 是如何受到数百伏外加偏压的影响的，这些电容器通常用于滤波、去耦或缓冲。

公认的物理定律告诉我们，高 MLCC 额定电压和小封装尺寸是互不相容的：提高额定电压要求板之间的电介质层更厚，这反过来又会增加组件的尺寸。即便如此，对小型和轻型电源单元的需求要求在越来越小的封装尺寸内具有高电容和高电压额定值。EV 逆变器或风能或太阳能微型发电机的设计人员通常会寻找 0603 和 0805 外壳尺寸的电容器，例如 X7R 型 MLCC，额定电压为 500 V、630 V 或 1,000 VDC。

防止电弧损坏和破坏

组件制造商可以通过性能更好的电容器材料和构造技术在一定程度上满足这些需求。然而，在实践中，诸如爬电距离（电场在电介质表面上的自然传播）和强电场导致周围空气电离的趋势等因素会威胁到组件的安全性，如图 1 所示。在高压下工作。

当发生电离时，如果施加的偏压超过电离空气的起始电压，则在不同电位的设备端子或电极之间会形成导电路径，从而导致电晕放电或电弧放电。

图 1：电离为端子-端子或端子-电极电弧建立条件。

可能发生电弧的起始电压受多种因素的影响，包括大气温度和压力、湿度和终端爬电距离。反过来，爬电距离受组件表面上存在的污染物的影响，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）比其他电介质（例如 C0G）具有更高的孔隙率（表现为材料表面的空隙）。这些空隙往往含有水分和灰尘，从而使组件更容易受到电弧的影响。

端子之间的电弧是可以承受的，尽管在设备表面反复电晕放电会导致碳化轨道形成，并且随着时间的推移会建立导电路径。随着放电继续发生，这最终将导致短路故障。

更直接的问题是在组件的外部和处于相反电位的第一内部反电极之间发生放电的可能性，如图2所示。这通常会导致介质快速击穿，从而导致短路故障；往往伴随着相当壮观的电容器破坏。

图 2：端子和第一个反电极之间的电弧通常会导致电容器快速失效。

从历史上看，电容器制造商和材料专家已经开发了各种技术来减轻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，以形成光滑且无孔的表面，从而最大限度地减少污染物或水分积聚的机会。

尽管这项技术已被证明是有效的，但也存在一些缺点，包括材料成本和应用它的额外工艺开销。此外，如果组件主体未完全封装或涂层损坏，则涂层的有效性可能会受到影响。

此外，如果设备是预涂层的，电路板设计人员必须确保涂层材料与组装中使用的其他材料兼容。另一方面，如果在组装后施加涂层，则必须注意确保没有空隙或间隙，例如在组件下方的区域。这些损害了涂层的完整性，并且可以允许与未涂层设备相同的电弧电位。

浮动电极

或者，可以通过调整内部结构来提高电容器承受高施加电场的能力。

一个例子是级联内部电极设计。这种方法也称为浮动电极或串联电容器技术，以与串联多个电容器相同的方式提高电压额定值，并有效地增加爬电距离，减少施加高电场强度时产生电弧的可能性。

浮动电极设计还通过防止裂纹穿过任何一对相对电极并因此导致短路，从而有效地缓解弯曲裂纹。与弯曲有关的裂纹可能只会导致电容损失或安全开路故障。一个缺点是串联电容器方法会降低有效电容，就像串联分立电容器一样。

内部屏蔽

最近的一项发展是在设备内部添加一个屏蔽电极，该电极与最近的端子处于相同的电位，并向对端延伸，如图3 所示。这可以想象成一个法拉第笼，与串联电容器结构相比，它允许更传统的电极布局。因此，对于给定的额定电压和器件尺寸，电容可以更高。此外，屏蔽电极与柔性端接兼容，可防止应力开裂。  

图 3：屏蔽电极降低了电容器表面和第一反电极区域的场强。

当在端子上施加超过电容器周围电离空气起始电压的高压偏压时，此屏蔽电极的存在可防止电晕放电导致端子和第一反电极之间的电介质击穿，从而防止快速图2描述的短路故障模式。

因为屏蔽电极与最近的端子处于相同的电位，所以电场集中在屏蔽电极而不是终端表面和相应的第一反电极中。这最大限度地减少了沿芯片表面的电位差，并增加了爬电距离能力。因此，即使是小外壳尺寸的设备，或使用 X7R 等高孔隙率电介质构建的设备，也可以受益于增强的抗电弧能力以及相关的损坏或设备故障可能性。

屏蔽电极设计的一个例子是 KEMET 的 ArcShield 系列耐电弧 MLCC，在商业或 AEC-Q200 汽车级的小型 EIA 标准外壳尺寸从 0603 到 1812 提供高电压和高电容。电容值范围在 500 Vdc 时高达 0.33 µF，在 630 Vdc 时为 0.15 µF，在 1,000 Vdc 时为 0.10 µF。

结论

通过添加屏蔽电极，采用小芯片尺寸封装的高达 1,000 V 的高电容 MLCC 可以抵抗电弧放电，并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。屏蔽电极设计提供永久保护，并克服了传统措施（如级联电极或保形涂层）的缺点。

　　审核编辑：汤梓红